Альтернативная схема качающегося маятника

В предыдущей статье мы привели простую схему «вечного» маятника. Сегодня рассмотрим альтернативную схему. Здесь представлен другой подход к схеме качающегося маятника с использованием двойного операционного усилителя LM358 и еще нескольких деталей.

Маятник работает от трех элементов типа C (4,5 В) при среднем токе потребления около 2 мА в течение примерно 5 месяцев.

Катушка L1 содержит примерно 3000 витков медного провода диаметром 0,16 мм с общим сопротивлением около 150 Ом. Ширина импульса, генерируемого при прохождении магнита над катушкой, составляет около 25 мс. Период маятника составляет около 1 секунды, поэтому рабочий цикл составляет всего 5%.

Ток катушки составляет 4,5 В / 150 Ом = 30 мА, поэтому средний ток потребления равен 30 мА х 0,05 = 1,5 мА. Потребление тока операционного усилителя LM358 составляет около 0,5 мА, поэтому общий ток цепи составляет 2 мА.

Цифровой мультиметр AN8009
Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS...
Подробнее

Щелочные батареи типа C обладают емкостью до 7000 мАч, поэтому время работы составит 3500 часов или 145 дней.

Во время работы, когда магнит проходит над катушкой L1, на коллекторе транзистора VT1 (2N3904) генерируется синусоидальная волна (20 Гц) с пиком около 600 мВ.

Операционный усилитель реагирует на отрицательный полупериод, в результате чего на его выходе 1 создает положительное напряжение примерно на 1 В выше чем опорное напряжение (2,3 В) на выводе 6. Это приводит к появлению напряжения на выходе 7, что в свою очередь открывает транзистор, который подает короткий (23 мс) импульс на катушку, подталкивая магнит.

Длительность импульса составляет: R4 х C1, или 470 кОм х 0,05 мкФ = 23 мс.

Примечания:

В маятнике используется неодимовый магнит диаметром 12 мм и толщиной 3 мм. Можно использовать и более крупные магниты.

Коэффициент усиления первого каскада операционного усилителя (выводы 1,2,3) — это отношение резистора обратной связи R4 к реактивному сопротивлению конденсатора C1 (Xc = 1/(2πƒC) = 160 кОм) при частоте 20 Гц, что равно 470 кОм / 160 ком = 2,9. Можно использовать и другие значения R4 и C1, но соотношение должно быть таким же, чтобы сохранить ширину импульса.

Второй ОУ (выводы 5,6,7) используется в качестве компаратора, и на его выходе появляется высокий уровень, когда входной сигнал на выводе 5 превышает опорное напряжение (2,3 В) на выводе 6.

Опорное напряжение на выводе 3 первого операционного усилителя получается из напряжения питания (4,5 В), деленного на общее сопротивление делителя напряжения (R1 + R2 + R3), умноженное на сопротивление резистор R3:

(4,5 В/ 115 кОм) х 39 кОм = 1,526 В

Опорное напряжение на выводе 6 рассчитывается аналогично:

(4,5 В / 115 кОм) х (R2 + R3) = 2,3 В

Это дает нам довольно хороший запас, когда статическое состояние составляет 1,5 вольта, а опорное напряжение следующего каскада составляет 2,3 В. Поэтому выходной сигнал на выводе 1 должен сдвинуться примерно на 800 мВ, чтобы переключить второй каскад (вывод 7) и включить транзистор.

Поскольку коэффициент усиления первого каскада составляет около 3, минимальное входное напряжение с катушки составляет около 800 мВ / 3 = 267 мВ. Речь идет об амплитуде, которую вы можете получить, запустив маятник с расстояния около 8 см или более от катушки. По мере движения маятник будет раскачиваться до 30 см от катушки.

Конденсатор С2 предназначен для подавления колебаний и обеспечения положительной обратной связи при включении выхода.

На рисунке ниже показана форма импульса на выводе 1 (красный) по сравнению с сигналом на выводе 5 (зеленый).

Две формы сигнала слегка смещены для иллюстрации, но на самом деле имеют одинаковый уровень напряжения. Обратите внимание, что колебания на выводе 1 отфильтровываются и не появляются на выводе 5 второго операционного усилителя.

На следующем рисунке ниже показана форма сигнала R4C1 на выводе 2 (зеленый) по сравнению с выходным сигналом на выводе 7 (красный).

Выход на коллекторе транзистора является инверсией сигнала на выводе 7 и поэтому обеспечивает заземление катушки примерно на 25 мс, обеспечивая импульс для маятника.

Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*