O napędach talerza współczesnego gramofonu DIY

W poprzednich artykułach opowiadałem o ogólnych zagadnieniach związanych z wykonaniem współczesnych gramofonów oraz o przykładowych konstrukcjach tangencjalnego ramienia. Jak już wspominałem, największym wyzwaniem było dla mnie wykonanie talerza. Poniżej przedstawię wybrane konstrukcje talerzy i układów napędowych, które są możliwe do wykonania w warunkach amatorskich.



W ostatnich latach najpopularniejszymi amatorskimi i profesjonalnymi konstrukcjami są gramofony z talerzami wykonanymi z tworzyw sztucznych. Często silnik montowany jest oddzielnie od obudowy gramofonu. Nie jest to bardzo praktyczne rozwiązanie, jednak pozwala ograniczyć drgania, których źródłem najczęściej jest właśnie silnik. Stosowane są przy tym różne typy silników: szczotkowe, bezszczotkowe i szeregowe prądu stałego oraz synchroniczne i asynchroniczne prądu przemiennego. Wybór zależy od preferencji konstruktora oraz sposobu stabilizacji obrotów. Oprócz niewielkiej praktyczności rozwiązania te mają jeszcze jedną wadę: zajmują dużo miejsca.

Tej wady nie mają konstrukcje z napędem bezpośrednim. W takich gramofonach talerz pełni jednocześnie rolę wirnika silnika. Najciekawszym rozwiązaniem jest moim zdaniem napęd gramofonu z ramieniem tangencjalnym, opisany tutaj. Co prawda talerz ma stosunkowo niewielką masę, niecałe 500 g, co negatywnie wpływa na stabilność i równomierność obrotów oraz odporność na drgania, jednak poza tym konstrukcja jest bardzo prosta i kompaktowa.




Składa się z talerza pełniącego jednocześnie funkcję wirnika, elektromagnesów oraz czujników. Talerz wykonano ze stopu aluminium 2024-T3, jednak wyposażono go w stalowy pierścień z zębami.




Z jednej strony wirnika znajdują się elektromagnesy oraz czujniki. W pełni analogowy układ sterowania zasila elektromagnesy prądem o odpowiedniej częstotliwości, a prędkość obrotowa jest kontrolowana za pomocą czujników pojemnościowych. Schemat układu sterowania przedstawiono poniżej.




W końcówkach mocy zastosowano tranzystory o niewielkiej mocy, co sugeruje, że napęd pobiera bardzo mały prąd. Było to możliwe dzięki niewielkiej masie talerza pełniącego funkcję wirnika oraz zastosowaniu łożysk kulkowych (nie polecam tego rozwiązania, ponieważ generuje hałas i drgania; po raz pierwszy spotkałem się z nim w gramofonie). Mały pobór mocy oznacza również słabe pole elektromagnetyczne, a tym samym jego znikomy wpływ na wkładkę.

Moim zdaniem układ sterowania można obecnie znacznie uprościć, a dodatkowo wyposażyć go w możliwość wyboru innych prędkości obrotowych. Opisana konstrukcja obsługuje tylko jedną prędkość, 33⅓ obr./min, ponieważ zależy ona od stosunku podwojonej częstotliwości sieci do liczby biegunów wirnika:

(100 × 60) / 180 = 33,3333 obr./min.

W innej konstrukcji napędu jako wirnik zastosowano stalowy talerz (5) o znacznie większej masie. Powoduje to po pierwsze większy pobór mocy, a po drugie konieczność stosowania wkładek działających na innych zasadach niż elektromagnetyczne. Mogą to być wkładki fotoelektryczne lub pojemnościowe, których konstrukcję opiszę w dalszej części artykułu. Duża masa talerza zapewnia jednak lepszą stabilność obrotów oraz większą odporność na drgania.




Zębatka wirnika została w tym przypadku wykonana po wewnętrznej stronie talerza. Zawiera 24 zęby, co wymaga częstotliwości sterowania pojedynczego elektromagnesu (7) wynoszącej około 13,3 Hz dla prędkości 33⅓ obr./min. Częstotliwość ta znajduje się poniżej progu słyszalności jej zmian przez człowieka, dlatego nie wymaga stosowania dodatkowych środków ograniczających zakłócenia akustyczne. W ten sposób silnik pracuje jako jednofazowy silnik krokowy.

Silnik jednofazowy nie może jednak samodzielnie wystartować. W opisywanej konstrukcji do rozruchu wykorzystano dodatkowy silnik szczotkowy (1), umieszczony obok talerza i wyposażony w gumowy popychacz (3), który rozpędza talerz do odpowiedniej prędkości. Po jej osiągnięciu silnik rozruchowy jest automatycznie wyłączany. Dalszy obrót talerza zapewnia pole elektromagnetyczne generowane przez cewkę (7), natomiast prędkość obrotowa zależy od częstotliwości oscylatora.




Do wyboru są trzy prędkości obrotowe: 16⅔, 33⅓ oraz 45 obr./min. Układ fotoelektryczny wraz ze wzmacniaczem prądu stałego służy do regulacji napięcia w zależności od prędkości obrotowej. W przypadku gdy częstotliwość impulsów z fotodiody V1 spada względem częstotliwości oscylatora F, układ zwiększa napięcie podawane na cewkę L1 i odwrotnie.
Podobnie jak w przypadku pierwszego napędu, współcześnie taki układ sterowania można z powodzeniem zastąpić mikrokontrolerem.
Zresztą ten projekt talerza wykorzystałem do budowy gramofonu ponad 40 lat temu. Nie wykonywałem jednak zębów wirnika, lecz pozostawiłem jego wewnętrzną część w formie koła przeznaczonego pod pasek napędowy.
Trzecia konstrukcja napędu jest bardziej tradycyjna, jednak do stabilizacji obrotów wykorzystuje tę samą zasadę co pierwsza z opisanych wcześniej konstrukcji. Składa się z talerza, silnika szczotkowego z paskiem oraz układu sterowania. Talerz wykonano w całości z aluminium i ma on niewielką masę, co uważam za wadę. Jego zaletami są natomiast kompaktowe wymiary, prosty układ sterowania oraz niewielki pobór prądu przez cały napęd.




Chociaż również w tym przypadku dostępna jest tylko jedna prędkość obrotowa, ponieważ jest ona powiązana z podwojoną częstotliwością sieci. Schemat układu sterowania przedstawiono poniżej.




Jak widać, napięcie sieciowe jest prostowane za pomocą diod, a następnie podawane na układ porównujący częstotliwość sieci z częstotliwością impulsów generowanych przez czujniki pojemnościowe odczytujące zęby rozmieszczone wokół talerza. Zębów tych jest 180, co przy prędkości 33⅓ obr./min daje 100 impulsów na sekundę. Gdy częstotliwość impulsów z czujników spada, układ zwiększa napięcie zasilania silnika, i odwrotnie.

Podobnie jak w poprzednich konstrukcjach, również tutaj zastosowanie mikrokontrolera byłoby lepszym rozwiązaniem. Wymagałoby to wprawdzie wzmacniacza sygnału z czujnika oraz stopnia mocy sterowanego sygnałem PID z odpowiedniego wyjścia mikrokontrolera. Częstotliwość impulsów z czujników można porównywać zarówno z częstotliwością wewnętrznego zegara, jak i z częstotliwością sieci. Podobna metoda oraz schemat sterowania sprawdziłyby się również w konstrukcjach z silnikiem umieszczonym na zewnątrz i napędem paskowym.