Где-то в середине 80-х (думаю, это был 1984 год) моему дедушке подарили настенные электромеханические часы «Янтарь» Орловского часового завода, которые были повешены над моей кроватью. Помню, засыпал под их быстрое тиканье.
Затем спустя пару десятилетий часы переехали в мою квартиру и долго висели в прихожей над дверью в большую комнату. На циферблате часов красовался знак качества а также знак в виде условного обозначения p-n-p транзистора (могу ошибаться, но в СССР таким знаком, скорее всего, с гордостью обозначали приборы, внутри которых имелись электронные компоненты):
Я уже не помню, когда именно они остановились, но вот сейчас, спустя сорок лет с их производства, я вдруг решил попробовать их починить. Сначала я думал, что в них просто села батарейка (тип D, т.н. «большая круглая»), а новую в своё время почему-то не поставили.
Купил новую, алкалиновую, вставил — часы не заработали :-(
Зато сзади сквозь прозрачный пластик механизма я увидел, что в их электронной схеме стоят два электролитических конденсатора.
Вдохновлённый недавним ремонтом телевизионных приставок, заключавшемся в простой замене взорвавшихся электролитов, чем они себя и обнаружили, и начитавшись про «высыхание» этих элементов, я решил попробовать заменить в часах эти старые советские электролиты на новые, современные.
Электромеханический механизм часов состоит из механического маятника и электронной схемы, которая его расталкивает электромагнитным способом через катушку. Электронная часть выглядит вот так:
Тут мы видим катушку (там их фактически две: импульсная — силовая и возбуждения — управляющая), интегральную микросборку К264ГФ1 и два электролитических конденсатора К50-6 на 50 мкф и 10 мкф. С обратной стороны видна распайка и керамический конденсатор-«флажок» на 0,033 мкф (33Н Н90):
Начитавшись о том, что эти красные конденсаторы со временем трескаются и меняют параметры, могут даже закорачивать цепь, решил поменять до кучи и его.
Осмотр электролитических конденсаторов показал, что на колбе конденсатора 50 мкф не было указания полярности. Пришлось искать схему этих часов. Позже в комментариях мне подсказали, что маркировку полярности следует искать на нижней стороне баллончика, и да, я её еле заметную нашёл:
Нашёл и схему. Для интересующихся привожу её здесь, но у меня есть все основания полагать, что сопротивления катушек на ней перепутаны:
Нашёл ещё схему похожих часов «Янтарь», но, видимо, более ранних, без микросборки, на транзисторах, опубликованную в какой-то книге. Внимание, на ней обратное обозначение катушек (L1, L2):
Исходя из описания схемы видим, что L1 — это катушка возбуждения (190 Ом), а L2 — импульсная (90 Ом). То есть, там, где сопротивление выше — витков больше, и она улавливает сигнал от магнита маятника, а где сопротивление ниже — витков меньше, и это силовая катушка, дающая маятнику импульс.
На предыдущей же схеме, если проследить включение катушек, то L1 — импульсная, должна быть с меньшим сопротивлением, а L2 — возбуждения, должна быть с большим сопротивлением. Однако на схеме сопротивления указаны наоборот. Думаю, что это ошибка, о чём я уже выше упомянул.
Для удобства я срисовал её ещё и от руки с натуры с сохранением реального взаиморасположения компонентов и проводников, чтобы было проще ориентироваться:
Как видите, ничего сложного. После внимательного осмотра некоторое волнение вызвали только катушки. Их поверхность была слегка поцарапана, а проводки от них были такие тонкие, что с трудом различались. Обрыв мог быть и там.
В общем, купил я новые конденсаторы. Причём вместо конденсатора на 50 мкф купил на 47 мкф, потому что с ёмкостью 50 мкф конденсаторы уже не выпускаются. Кроме того, не стал искать конденсаторы на 6,3 и 10 вольт, как было написано на их корпусах, а взял оба на 50 вольт.
Понимаю, что и 6,3 вольта — это уже с большим запасом — ведь часы питаются от 1,5 вольт, но в данном случае больше — не меньше, благо, что габариты позволяли. За 40 лет радиоэлектроника шагнула далеко вперёд, и конденсаторы на 50 вольт оказались даже меньше тех, что стояли в часах на существенно меньшее напряжение:
Не стал брать дешёвый ноунейм, взял крепких середнячков — Jamicon. Оба до 105°C, а тот, что на 47 мкф даже LowESR (ну, попался, почему бы не взять). Также купил и новые керамические конденсаторы (как выяснилось позже благодаря внимательным читателям, не той ёмкости, 33 пф вместо 33 нф):
Поменял на платке все три конденсатора:
Вид со стороны пайки:
Когда выпаял конденсатор на 10 мкф, то обнаружил, что к его корпусу был приклеен лаком кусок катушечного провода сантиметра три. При этом, если присмотреться к катушке, можно заметить кончик того же провода, прилипший к пластмассовому корпусу катушки. Это меня сильно напрягло. Я подумал, что, может, порвал один из проводов катушки, который прилип к выпаиваемому конденсатору. Но по схеме все провода вроде бы были на месте...
После замены конденсаторов я привинтил платку назад, к маятниковому механизму, накинул прозрачный кожух, вставил батарейку. Маятник напрягся и повернулся градусов на 30. Я попытался запустить механизм как положено, рычажком качнув маятник, чтобы создать в катушке ток, но маятник, покачавшись чисто механически, останавливался даже быстрее, чем без катушки вообще :-(
Кстати, и до замены конденсаторов маятник напрягался и поворачивался, но более вяло.
Я снова достал плату, и решил прозвонить обе катушки. Даже отпаял лишние контакты конденсаторов и микросборки, чтобы не мешали прозвонке. И они вполне себе прозвонились, и их сопротивление действительно оказалось обратным по отношению к указанному на первой схеме. У катушки L1 было сопротивление 138 Ом, а у L2 — 298 Ом. Это только подтвердило моё подозрение в ошибке первой схемы и повысило доверие ко второй.
Итак, часы всё не работали. Я подумал, что, возможно, проблема в микросборке, и решил собрать всё назад и отложить дальнейший ремонт в долгий ящик. Собрал, привинтил кожух уже как надо, на всякий случай вставляю батарейку, пинаю маятник рычажком... и часы начинают ходить!!! Вот те раз...
Не знаю, в чём была в первый раз проблема. Разница только в том, что раньше кожух был просто накинут, а потом — привинчен как положено.
Повесил часы на стену — на первый взгляд, ходят точно.
После написания этой статьи, в комментариях мне указали на ошибку — вместо конденсатора C3 на 0,033 мкф (33 нф) я купил конденсатор на 33 пф, в тысячу раз меньшей ёмкости. Я неправильно интерпретировал маркировку 33Н Н90, забив её целиком в Дипсик, чтобы получить информацию ещё и по его типу и возможным заменам, и не проверил ответ. А Дипсик мне соврал.
Часы ходят, но я всё же заказал правильный конденсатор, буду перепаивать.
Потом спустя несколько дней можно будет подстроить точность хода механически, на механизме есть специальный винт.
Принцип действия часов
Для собственного понимания принципа работы я уточнил схему — внёс исправления сопротивлениям катушек (поменял местами) и указал стрелками путь прохождения сигнала, как я себе это представляю:
На мой взгляд, схема работает так. Физически запускаем маятник рычажком. Магниты проходят над катушкой возбуждения L2 и порождают в ней напряжение (формально — ЭДС). Поскольку обе катушки намотаны вместе, то напряжение возникает и в импульсной катушке L1, но это побочка, нам не интересно.
Микросборка К264ГФ1 (усилитель-формирователь сигналов специальной формы) ждёт на своём входе напряжение с катушки возбуждения L2. Но между микросборкой и катушкой стоит конденсатор C1. Катушка и конденсатор, установленные последовательно, формируют из себя т.н. колебательный контур, усиливающий напряжение катушки. Они циклически обмениваются энергией, между ними постоянно перетекает ток.
Обмен энергией происходит с определённой частотой (зависит от ёмкости конденсатора и индуктивности катушки). Это частота называется резонансной. Если продолжать циклически наводить магнитным полем напряжение через катушку в этот контур на резонансной частоте (за счёт раскачки маятника или обратной связи), то оно многократно повышается, ток усиливается.
Усиленный таким образом сигнал с катушки подаётся на вход микросборки К264ГФ1.
Микросборка состоит из трёх транзисторов. Два, как я понимаю, усилительных, и один (самый нижний) — обратной связи, который делает приходящие от катушки возбуждения сглаженные импульсы более прямоугольными, способными интенсивнее качнуть маятник.
Итак, в микросборке сигнал ещё более усиливается, делается более концентрированным по времени, после чего подаётся на импульсную катушку L1.
Импульсная катушка L1 напрягается и слегка подталкивает магниты качающегося маятника. Одновременно она вместе с магнитом наводит напряжение на катушку L2, и цикл усиления повторяется.
Параллельно колебательному контуру стоит шунтирующий конденсатор C2, который является хорошим проводником для высокочастотных помех и плохим — для управляющего сигнала 4 Гц, поступающем с катушки. Таким образом все помехи, более высокочастотные, чем полезный сигнал, подавляются, закорачиваясь на минус.
Откуда тут может появиться высокочастотная помеха? Например, от паразитных процессов в транзисторах или в самой импульсной катушке.
Частота колебаний маятника задаётся механически, а примерно та же частота колебательного контура, каждый раз корректируемая новым (чуть опережающим или отстающим) влиянием магнита, просто помогает в нужный момент давать импульсы маятнику, чтобы его механические колебания не затухли.
При отклонении резонансной частоты контура (например, за счёт высыхания электролита) усиление сигнала снижается (он уже не совсем попадает в резонанс), но за счёт обратной связи через катушку возбуждения L2 он всё равно продолжает подаваться в нужный момент.
Таким образом, от качества радиодеталей точность хода часов практически не зависит, но при сильном отклонении резонансной частоты или снижении напряжения источника питания, подталкивания маятника становятся слабее, что снижает его амплитуду, ускоряет колебания и часы начинают спешить.
Помимо основной обратной связи через катушку L2 задействуется второстепенная стабилизирующая обратная связь через ввод микросборки «2». Усиленный сигнал, идущий на силовую катушку L1 через конденсатор C3 (развязка по постоянному току и проводник высокочастотных искажений) подаётся снова в микросборку на базу выходного транзистора.
Судя по всему, в лице цепи с конденсатором C3 мы имеем т.н. отрицательную обратную связь, гасящую высокочастотные искажения, когда усиленная паразитная высокочастотная часть сигнала с коллектора выходного транзистора микросборки через конденсатор поступает на его же базу, но в инвертированном состоянии (напомню, что при усилении транзистором с общим эмиттером, когда сигнал выходит через коллектор, сигнал инвертируется).
Усиленный инвертированный сигнал помехи непрерывно вычитается из приходящего на базу транзистора неусиленного общего сигнала. Помеха стабилизируется на некотором своём низком уровне за счёт постоянной во времени петли обратной связи, когда усиленной части оставшейся помехи достаточно для компенсации большей доли её неусиленной части. Оставшаяся доля помехи нужна для поддержания этого баланса.
Напомню, что конденсатор с заданной ёмкостью (0,033 мкф) не только создаёт гигантское сопротивление постоянному току, но и разное сопротивление для переменных токов разной частоты. Чем выше частота, тем меньшее сопротивление оказывает ей этот конденсатор, и тем сильнее она проходит к базе выходного транзистора в противофазе и тем самым компенсирует себя.
В результате все паразитные сигналы, частота которых выше частоты качания маятника, искажения самого усилителя и т.п., подавляются сильнее, а сам основной сигнал качания — меньше. Чем выше частота помехи, тем сильнее она давится.
Ну и в целом, величина ёмкости этого конденсатора, задавая его сопротивление переменному току (в том числе и на рабочей частоте 4 Гц), регулирует степень усиления этого основного сигнала.
Фактически, в моём случае с неправильным конденсатором в 1000 раз меньшей ёмкости эта обратная связь работала хуже или не работала совсем. Конденсатор с маленькой ёмкостью плохо давил высокочастотные искажения, разве что чуть сглаживал самые высокочастотные.
Если у кого-то будут замечания по моему пониманию работы схемы, жду их в комментариях.
Замена конденсатора C3 на правильный
Итак, вместо керамического конденсатора с ошибочной ёмкостью 33 пф чуть позже я приобрёл металло-плёночный типа К73-17 уже на правильную ёмкость — 0,033 мкф и... 630 вольт. Почему металло-плёночный, а главное, почему на 630 вольт? Ну, потому что так сошлись звёзды )))
По характеристикам металло-плёночные в среднем стабильнее керамических, меньше плывут от температуры. Ну а 630 вольт — только такой продавался поштучно за 18 рублей, так почему бы и не прикупить? Ведь вольтаж влияет только на размеры, но этот вполне вписывался в масштаб:
Единственное, что он был немного толстоват для установки со стороны пайки, и я решил поставить его так, как, в общем-то, и положено — со стороны монтажа:
Для этого пришлось просверлить отверстие в плате рядом с выводом «2» микросборки (база выходного транзистора) и пропустить одну из ножек конденсатора туда.
Вторую ножку решил сквозь плату не пропускать, чтобы при сверлении не повредить рядом проходящие тонкие провода катушки, а обогнуть им плату сверху и сразу подпаять ножку в нужное место. Заодно и проводники подальше развести друг от друга.
После установки платы в механизм часы в разобранном виде опять не запустились, но после привинчивания корпуса с какой-то попытки всё же пошли. Не сказал бы, что характер качания маятника после перепайки конденсатора как-то изменился. Вначале всё так же вяленько и неуверенно, потом вроде разошёлся и стабилизировался.
Интересно, что при попытках запуска в этот раз немного изменился характер остановки маятника в конце каждой неудачной попытки. Если раньше он сначала плавно замедлялся и в конце как бы просто стопорился в магнитном поле, то в этот раз в конце было такое резкое тиканье с очень малой амплитудой и уже последующая остановка. То есть, режим работы схемы немного поменялся. Но вот в процессе нормального хода я отличий не заметил.
Кстати, на всякий случай заодно купил и микросборку К264ГФ1, вдруг лет через... сгорит, а в продаже их уже не будет. Повешу в пакетике за часами:
Увидел, что в продаже, оказывается, полно радиодеталей, произведённых в СССР. Вот, думаю, это какая же у нас была мощная радиотехническая промышленность, что страны нет уже 35 лет, а её продукция всё ещё продаётся )))
На этом всё. Ставьте нравлики, если статья понравилась. Делитесь своими соображениями в комментариях. Если статья оказалась полезной — буду рад донатам, кнопка ниже :-) Удачи!