Практикум по стробоскопу №1. Останавливаем вентилятор на любой скорости

В этой статье на практике проверим теоретические положения, изложенные в статьях "Как снять сигнал с таходатчика вентилятора", "Как работает стробоскоп". Использовать будем доработанные вентиляторы, описанные в статье "Доработка вентиляторов для экспериментов со стробоскопом".

Для кажущейся остановки крыльчатки вентилятора при ее вращении необходимо, чтобы вспышки света следовали:

• с частотой вращения крыльчатки вентилятора
• с частотой вращения крыльчатки вентилятора, умноженной на количество лопастей.

Остановка вращения.

Как уже говорилось, на выходе тахосигнала вентилятора присутствуют импульсы, частота которых в два раза выше частоты вращения крыльчатки. Поэтому для "остановки" (кочечно кажущейся!) вращения вентилятора достаточно:

• подать сигнал с таходатчика на делитель частоты на 2,
• сформировать из полученного сигнала короткие импульсы, используемые для включения светодиодов подсветки лопастей.

Электрическая принципиальная схема стробоскопа, реализующего перечисленные функции, приведена на рисунке 1 (кликните на рисунке для увеличения).

Рисунок 1. Стробоскоп для "остановки" вращения крыльчатки вентилятора

Перечень использованных радиоэлементов:

• С1 - конденсатор 2000 - 3000 пФ (2 - 3 нФ) керамический,
• С2 - любой электролитический конденсатор емкостью от 6,8 мкФ до 22 мкФ на напряжение от 16 В до 25 В
• DD1 - микросхема 74HC74 (сдвоенный D-триггер)
• R1 - резистор 1 кОм - 2 кОм
• R2 - резистор 10 кОм - 39 кОм
• R3 - любой малогабаритный подстроечный резистор от 150 кОм до 200 кОм
• R4 - резистор 390 Ом - 470 Ом
• R5 - резистор 43 Ом - 82 Ом (соответственно ток 100 мА - 50 мА)
• VD1 - диод КД522 (КД521) с любой буквой или любой другой кремниевый импульсный диод
• VT1 - транзистор BC337-25 или BC337-40
• XP1 - разъем WF-3
• XP2 - разъем типа Molex
• XP3 - перемычка, удобно использовать штыревой разъем PLS-2 с джампером MJ-O-6
• HL1 - светодиоды (с токоограничивающими резисторами) подсветки доработанного вентилятора (см. "Доработка вентиляторов для экспериментов со стробоскопом") - если перемычка XP3 установлена, или просто несколько последовательно включенных светодиодов - если перемычка XP3 снята.

Все резисторы мощностью 0,125 Вт или 0,25 Вт.

Сигнал с таходатчика поступает на вход делителя частоты на 2, выполненного на триггере DD1.2. После делителя, сигнал с частотой вращения крыльчатки поступает на одновибратор, выполненный на DD1.1, C1, R2, R3, VD1.

Длительность импульсов, формируемых одновибратором, и, следовательно, яркость картинки и степень "размазанности" лопастей регулируется резистором R3.

Короткие импульсы с выхода одновибратора управляют каскадом на транзисторе VT1. Режим работы этого каскада определяется перемычкой XP3:

• при снятой перемычке, транзистор выполняет функцию генератора (ограничителя) тока через нагрузку HL1, величина тока определяется сопротивлением резистора R5.
• при установленной перемычке, транзистор работает в ключевом режиме и ток через HL1 полностью определяется включенными последовательно со светодиодами резисторами. Максимальный импульсный ток ограничивается возможностями транзистора VT1, и, для использованного транзистора BC337, не должен превышать 1 А.

Как видно, схема стробоскопа представляет собой модификацию схемы из статьи "Светодиодный цветовой индикатор скорости вращения вентилятора". Для тех, кто собирал этот индикатор, достаточно будет внести небольшие изменения - задействовать второй триггер DD1.2, заменить C1, R2, R4 и добавить элементы VT1, R5, XP3.

Методика регулировки:

1. проверьте правильность монтажа
2. подключите вентилятор к разъему XP1
3. проверьте полярность подключения светодиодов подсветки
4. проверьте выбранный режим работы VT1 - если последовательно со светодиодами подсветки уже включены резисторы - можно установить перемычку XP3, если подключаются только светодиоды - перемычка XP3 обязательно должна быть снята.
5. подайте питание на вентилятор и схему - подключите разъем XP2 к блоку питания компьютера и включите компьютер
6. движок подстроечного резистора установите в положение максимального сопротивления (нижнее по схеме) - длительность импульсов будет максимальной, так проще увидеть эффект.
7. если подсветка не работает, см. п. 3-4
8. если подсветка работает, но картинка не останавливается - скорее всего, причина в импульсных помехах, присутствующих в сигнале таходатчика (см. последнюю диаграмму в "Как снять сигнал с таходатчика вентилятора"). Для борьбы с такими помехами попробуйте установить дополнительный конденсатор Cф (см. рисунок 2) емкостью 22 нФ - 100 нФ (0,022 мкФ - 0,1 мкФ).

Рисунок 2. Установка дополнительно конденсатора Сф для устранения импульсных помех в тахосигнале вентилятора.

Если это не поможет - придется поменять вентилятор.

Удвоение числа лопастей.

Для удвоения кажущегося количества лопастей достаточно исключить из схемы делитель на 2 - схема приведена на рисунке 3 (кликните на рисунке для увеличения):

Рисунок 3. Схема стробоскоп для "удвоения" числа лопастей крыльчатки вентилятора

В этом случае схема практически полностью повторяет "Светодиодный цветовой индикатор скорости вращения вентилятора", поэтому начать можно именно с нее. В схеме используются те же элементы, что и схеме на рис.1.

Методика регулировки та же, что и для предыдущей схемы, однако имейте ввиду, что стабильной картинки можно не получить не только из-за импульсных помех, но и из-за того, что тахосигнал имеет неравные полупериоды (см. предпоследнюю диаграмму в "Как снять сигнал с таходатчика вентилятора"), в этом случае добиться стабильной картинки не удастся.

Мои доработанные вентиляторы дали такие картинки:

120 мм вентилятор, в полной темноте	120 мм вентилятор с фоновым освещением настольной лампой	80 мм вентилятор с фоновым освещением настольной лампой

Еще для сравнения приведу фотографии 80 мм вентилятора, с подсветкой лопастей 1 и 7 раз за оборот:

80 мм вентилятор с формированием импульса подсветки 1 раз за оборот	80 мм вентилятор с формированием импульса подсветки 7 раз за оборот

Фотографии сделаны при одинаковой экспозиции. Как видно, разница в яркости картинки получается очень заметной.

К сожалению, простой схемы, позволяющей производить кратное умножение частоты (в отличие от деления) не существует. Обычно такие задачи решаются с помощью использования фазовой автоподстройки частоты, но в нашем случае - когда очень часто встречается тахосигнал с неравными полупериодами и помехами - работа таких схем нестабильна и сложна в настройке.

Кроме того, недостатком получаемого эффекта является его статичность.

Как решить перечисленные проблемы описывается в следующей статье - "Делаем лучший в мире стробоскоп".

Успехов!