Стабилизатор скорости для Веги и прочие доработки оной.

Если вы начинающий любитель грамзаписи- наверняка задумывались о покупке приличной виниловой вертушки. Зайдя на сайт какого-нибудь интернет-магазина и испытав культурный шок от цен, вы наверняка обратили свой меломанский взор в сторону Алиэкспресса, но там за адекватные деньги обнаружили только «дрова», с пьезокерамическими головками и чисто номинальными пластилиновыми приводами. Тогда вы в отчаянии пошли на Авито, где обнаружили десятки предложений виниловых проигрывателей «Вега», причем по вполне «бюджетной» стоимости. Как ни странно- это достаточно неплохие вертушки, а учитывая современные реалии- вообще «лучшие за свои деньги». В данной статье я расскажу как такого вертака «омолодить», но главное- как можно сделать его лучше! Статья не содержит готовых схем (кроме обзорных и тестовых), рисунков плат или прошивок- Do It Yourself. Это просто «свод указаний» в рамках обмена опытом. Кто не потерял интереса- гоу под кат.

Когда-то в далеком 1998м году я купил себе б/у проигрыватель Вега-122. Очень любил эту вертушку, а первая любовь, как известно, не проходит… Но уже тогда работа стабилизатора скорости меня категорически не устраивала! С этой проблемой сталкивались все владельцы «Вег»- выставляешь скорость вращения диска по меткам стробоскопа, уходишь покурить, возвращаешься- метки уже куда-то бегут. :( Хоть две минуты, но вертушка будет «прогреваться», хоть тресни. А то еще, бывает, что минут через пять метки побегут обратно… короче говоря, стабилизатор скорости свои функции выполняет плохо. Как я с ним ни бился- победить так и не смог. :( Поначалу грешил на стробоскоп, делал даже кварцованый- но проблема не в сторобоскопе… С тех пор через мои руки прошел с десяток этих проигрывателей — все поголовно обладали одним и тем же набором «детских болезней». Теперь у меня вообще легендарный Technics-1210, однако- осадочек остался. Поскольку все мечты должны сбываться, и все гештальты нужно держать плотно закрытыми- я купил максимально задешево совершенно убитую «Вегу-122» чисто для экспериментов («ведь без мучений не будет развлечений»). Произвел гуглопоиск нормально работающей схемы стабилизатора скорости, но единственное, чего добился- это несколько туманных намеков, и общий результат- «нормальной схемы нет до сих пор». :( Я не исключаю что где-то она валяется, как утраченное сокровище, но мне не попалась… поэтому, как обычно, пришлось все делать самому.

Но сначала:
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. Общая информация и профилактика. Если не интересно- пропускаем, но я рекомендую прочесть- в любом случае эти операции делать придется. Там я попытался собрать весь свой опыт борьбы с этими ЭПУ, букаф будет многа…

Наконец,
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. Новый стабилизатор скорости. :)
Тут я постараюсь максимально доступно изложить как (или чем) я думал, и что у меня в итоге из этого вышло. Готовой схемы, повторяю, не будет. Будет только «действующая модель» с указанием направления, в котором копать.

Как я излагал в «профилактике»- данные о скорости вращения вала двигателя мы получаем с таходатчика, в виде прямоугольных импульсов определенной частоты. Таким образом, чтобы скорость вращения диска была нужной нам- надо просто как-то исхитриться поддерживать требуемой частоту этого сигнала (или ширину импульса).
В первую очередь я решил хотя бы понять, что там за сигнал такой и какими характеристиками обладает. Приборовооруженность у меня достаточно плохая. :( Увы. Из имеющихся приборов:
1. Стандартный мультиметр, хотя и неплохой.
2. Овцелограф С1-94.
3. Самодельный LCF-метр на atmega8 по украинской схеме пана Soir (вдячний йому за цей чудовий прилад до нестями!) ссылка
Тем не менее, даже такими убогими средствами кой-какие данные мне получить удалось:
Частота импульсов с таходатчика: На скорости 33.33 об/мин — 80 Гц, на скорости 45.11 об/мин — 108 Гц. Напряжение на двигателе в обоих случаях не превышает 4 вольт в пике (причем его овцелограмма похожа на морскую волну). Сопротивление двигателя- около 24 Ом (двигатель PRM-33-1.9), это значение мне пригодилось позже. Таходиск у меня с шестью прорезями. Если таходиск с восемнадцатью отверстиями- значения частот можно смело умножать на три.

Далее я начал думать как со всем этим богатством жить дальше…
Поначалу решил собрать что-нибудь на атмелловском контроллере. Двигателю не надо кристально чистого тока (овцелограмма это показала), он вообще относительно инертный, ему нужно что-то среднее во времени, главное чтоб это время было меньше, чем его условная «скорость реакции». Атмелловские контроллеры прекрасно умеют, не особо забивая себе голову, вырабатывать широтно-модулированные импульсные сигналы (ШИМ). Это можно использовать. Допустим, измеряем длительность импульса с таходатчика. Если он длиннее/короче нужного- меняем ширину управляющего импульса так, чтоб двигатель крутился быстрее/медленнее. Потом измеряем длину следующего импульса- и так вечно, и так бесконечно… Но во-первых мне было жутко лень писать программу, а во-вторых, как ни исхитряйся, а любые изменения ширины управляющих импульсов были бы дискретными. Просто потому, что контроллер с аналоговыми сигналами не работает. «Все цифровое дискретно», по умолчанию. А ну как я в нужную ширину не попаду? Ну ок, отложил этот вариант в резерв.

Дальше я начал шерстить инфернет. Про «нормальной схемы нет до сих пор» уже докладывал. Читал про микросхему LM2917- это по сути очень качественный интегратор, «преобразователь частоты в напряжение». Кто-то что-то даже на ней делал, но толком это работало лишь у избранных. Нашел пару схемок на ОУ- ну, по сути тот же диффкаскад, вид сбоку. Читал про системы фазовой автоподстройки частоты. Читал про микросхему к561гг1. Решил, что она мне нужна… Она содержит генератор, управляемый напряжением, но у меня двигатель с таходатчиком- сам по себе генератор, управляемый напряжением, на кой мне еще один? В качестве устройства сравнения там классический логический элемент ИЛИ, который способен указать только на наличие несовпадения фаз от двух источников сигналов, но в какую сторону они не совпадают- указать уже не способен. Я вообще не хотел никаких «фазовых детекторов» и прочих сложностей, я хотел максимально просто, дешево, и понятно. По возможности. Тем не менее, где-то в ее описании мне попалось слово «триггер»- и вот тут в голове щелкнуло…

Нарисовалась вот такая вот схема:

В ее основе- самый примитивный асинхронный RS-триггер, но с динамическим управлением. Импульс на входе S устанавливает выход Q в состояние «1» (высокий уровень), импульс на входе R сбрасывает выход Q обратно в «0» (низкий уровень). Поскольку управление динамическое- триггер реагирует только на восходящие фронты пришедших импульсов, все остальное игнорирует. К выходу Q подключен двигатель с таходатчиком, управляемый ключиком на N-канальном mosfet. Таким образом, если частота с генератора Fг много больше частоты с таходатчика Fт (двигатель не вращается)- на выходе Q практически постоянно высокий уровень- двигатель раскручивается. Если же частота с генератора Fг много меньше частоты с таходатчика Fт (двигатель вращается слишком быстро)- на выходе Q практически постоянно низкий уровень, двигатель постепенно замедляется. А вот если частоты принимают близких значений- начинается интересное! Система просто входит в равновесное состояние. В этом состоянии на выходе Q сами собой формируются импульсы ровно такой ширины, чтоб частоты Fг и Fт совпадали по абсолютному значению, но при этом не совпадали по фазе. То есть фазы сигналов получаются сдвинутыми на некоторую величину- такую, что частота сигнала с таходатчика поддерживается равной частоте генератора- поскольку величина сдвига формирует ширину импульсов на выходе триггера. Сигнал с таходатчика начинает запаздывать (если скорость снижается)- импульсы становятся шире, двигатель раскручивается. Фаза сигнала с таходатчика приближается к фазе генератора (если скорость больше требуемой)- импульсы сужаются, двигатель замедляется. Чистая широтно-импульсная модуляция без каких-либо контроллеров, причем с автоподстройкой, и без дискретности. В теории.

Естественно, я проверил свои предположения на практике, поскольку голой теории вообще не люблю… Ну, самое печальное- никаких RS-триггеров с динамическим управлением не существует в природе. :( Это сферический триггер в вакууме. «Тян, скрипач, и асинхронные RS-триггеры с динамическим управлением не нужны». Тем не менее, я собрал «прототип» схемы, триггер сделал на двух логических элементах И-НЕ (половинка к561ла7). К моему большому удивлению, оно даже как-то работало. То есть какое-то подобие стабилизации мне удалось получить, когда Луна была в Скорпионе. Дело вот в чем… Поскольку никаким динамическим управлением у меня и не пахло- триггер достаточно продолжительное время находился в состоянии неопределенности, когда на обоих выходах (прямом и инверсном) присутствуют одинаковые уровни. RS-триггер на И-НЕ управляется «нулем», и получалось так, что «ноль» с таходатчика уже пришел, а триггер не переключился- потому что «ноль» с генератора еще не кончился. Система тупо не могла достичь внутреннего покоя, просветлиться, и войти в равновесие.
Чтобы избежать такого позора, не прибегая к харакири, я дополнил схему двумя укорачивающими одновибраторами без перезапуска, вырабатывающими очень короткие (около одной микросекунды) импульсы «от единицы до нуля» по фронту пришедшего на вход импульса, все остальное время на их выходах «единица», которая нашим RS-триггером не управляет. Триггеру этого вполне хватает для переключения, а возможная «неопределенность» сведена к минимуму. Как сделать честное динамическое управление- я, конечно, не придумал. :( Но схема наконец-то заработала! Радости моей не было предела, но лишь пока я не ткнулся в нее приборами. Выяснилось, что на скорости 33 частота с таходатчика- 80 Гц, а частота генератора почему-то 120. При этом на скорости 45 частота с таходатчика была 108 Гц, а с генератора- 219. Причем какие-то кратные значения, нехорошие- полтора и два раза. Так не должно быть, хотя схема работала. Кроме того, я обнаружил, что двигатель как-то подозрительно шумит, а стробометки диска иногда подергиваются… Далее на чистой интуиции я дополнил схему небольшим фильтром, сглаживающим резкие фронты импульсов тока, проходящего через двигатель- и вот после этого все почему-то встало на свои места! Двигатель не шумит, стробометки не дергаются, значения частоты с обоих источников совершенно одинаковы! К сожалению, я так и не выяснил истинную причину неподобающего поведения схемы- в резких фронтах ли было дело, или просто рептилоиды гадили… Замыкание накоротко пинцетом резистора фильтра давало лишь небольшое повышение шума от двигателя, но систему из равновесия не выводило. Возможно, было еще что-то, чего я не учел. Возможно, схема умеет входить в режимы стабилизации на кратных значениях частот- нам такие режимы не нужны, но как их избежать- я тоже не придумал. :( В итоге принял решение успокоиться и дальше не копать.
Итоговая ТЕСТОВАЯ схема получилась вот такая:


В синюю рамочку я обвел тот самый «асинхронный RS-триггер с квазидинамическим управлением», «ядро» схемы. Я рекомендую вам повторить эту схему- чисто для исследований, она НЕ является готовой схемой стабилизатора, хотя уже показала результаты существенно лучше, чем у польского «оригинала».
Я запитал ее от аккумулятора 18650- мне было лень припаивать USB-разъем чтоб запитываться от зарядки. Включил, выставил скорость по стробометкам диска (как и положено по инструкции), ушел. Стробоскоп для надежности применил самодельный, внешний, жутко кварцованый. Испил кофию. Вернулся. Метки стоят как вкопаные. Выключил. Написал в личку подружке какой я у нее крутой, вернулся, включил. Диск раскрутился, и метки встали. Причем встали как бы с «визуальным щелчком»- поначалу бежали назад, прошли «точку равновесия», немного качнулись вперед- и замерли. Я решил сыммитировать нагрузку- опустил на диск кисточку. Метки стоят. Я нажал- метки стоят. Я нажал сильно- затормозил диск и вывел систему из равновесия. Убрал кисточку, диск немного покрутился медленно, как бы раздумывая- стоит ли со мной вообще какие-то дела иметь, после чего система опять вошла в равновесие. Повторил опыт- схема, видимо, успела смириться с моим существованием, и вошла в в равновесие уже несколько быстрее. Я оставил схему в покое и пошел читать книжку- «Гарри Поттер и методы рационального мышления». Минут через 20 глянул на диск- метки четко стояли на своих местах. Выключил на полчаса, чтобы схема «остыла». Включил- диск раскрутился, метки встали, а я даже не тронул подстроечный резистор! Через 10 минут работы метки уже ожидаемо стояли намертво. За сим я решил успокоиться, больше не мучать животное, и объявить схему рабочей.
Итак, я наконец-то закрыл гештальт почти 25-летней давности. :) Причем схема вышла максимально простой, максимально дешевой (всего два корпуса к561ла7), но при этом отлично работающей. Кстати, я более чем уверен, что эту схему уже делали десятки людей до меня- я не придумал абсолютно ничего нового, но в инфернете мне ничего подобного не попадалось. :( Видимо, для профессионалов такие вещи «самоочевидны» и недостойны публикаций… ну, всякое бывает, может просто искать не умею.

Дам еще несколько пояснений и рекомендаций.
1. К питанию схема не очень чувствительна. Аккумулятор успел подсесть с 4.2 вольт до 3.6 — на стабильности меток это никак не отразилось. Для эксперимента я попробовал запитать от двух пальчиковых батареек- схема на режим не вышла. :( Либо я этого не дождался. То есть напряжение питания должно быть достаточно, чтобы раскручивать двигатель, но при этом напряжение на двигателе не должно превышать предельно допустимое для него. Я не знаю какое у веговских двигателей предельное- потому ограничил четырьмя ранее намеряными вольтами.
2. На R7 и С4 собран сглаживающий импульсы тока фильтр. R7 я взял таким, чтоб при питающем напряжении 5 вольт на двигателе было не больше четырех. Емкость С4 не критична, от 10 мкф. Слишком много- плохо, можно случайно загнать систему в колебательный режим (визуально будет качание меток из стороны в сторону), когда избыточная емкость начнет мешать двигателю с достаточной быстротой реагировать на изменение ширины питающих импульсов. Слишком мало- тоже плохо, излишне резкие фронты импульсов тока приводят к нехорошим последствиям, описаным выше. Подберите емкость по минимуму акустического шума от двигателя и максимальной стабильности работы.
3. В качестве фоточувствительно элемента таходатчика применен ранее упомянутый BPW96C. Если включить его «сверху», с резистором в эмиттерной цепи, как фоторезистор в ЭПУ был включен- ничего не изменится, схема к фазе сигналов нечувствительна совершенно. Можно применить любой другой фототранзистор, маломощный какой-нибудь. Значение R1 при этом спокойно можно увеличивать.
4. Обратите внимание- я применил Р-канальный mosfet, поэтому его затвор подключен не к прямому выходу триггера, а к инверсному. N-канальные ключи надо подключать, соответственно, к прямому выходу. Ключ может быть любым, лишь бы подходил по мощности. Моторчик кушает мало, полуамперного ключа будет достаточно. Для большинства маломощных mosfetов резистор R6 вообще не нужен, емкости затворов мизерные, я его чисто по привычке поставил (значение- практически любое, от 0 до 10 КОм).
5. Значения R4 и R5- от 10 до 100 КОм, значения С2 и С3- от 100 пФ до 1 нФ. С указаными на схеме значениями одновибраторы вырабатывают импульсы длительностью 1 мкс, логические элементы к561ла7 успевают на них реагировать. Минимальная длительность импульса, на который реагирует эта логика, определяется десятками наносекунд. Но если импульсы одновибраторов удлинить раз в 10 «на всякий случай»- ничего страшного имхо не произойдет (проверьте!).
6. Двигатель, кстати, может быть любым- в этом достоинство схемы. Главное требование к нему- развивать нужные обороты при определенном напряжении. 800 об/мин для скорости 33.33, и 1080 об/мин для скорости 45.11 (если я не ошибся в расчетах). То есть если ваш двигатель безвозвратно дохлый- можно поставить какой-нибудь «от магнитофона» (без встроенного стабилизатора) по принципу «лишь бы лез», да хоть от сидирома (если сумеете его там закрепить), а если 4 вольт ему не хватает чтоб нужные обороты набрать- можно смело «подбросить» напряжение питания. Главное чтоб шкив с таходиском на вал садился.

7. Наконец, Генератор образцовой частоты.
Это тема для отдельного разговора. Вот это вообще единственное, к чему схема по-настоящему чувствительна. Это- самое сложное. :( Стабильность частоты генератора будет напрямую определять стабильность частоты вращения диска вертушки. И задачу выбора схемы генератора я предлагаю вам решить самостоятельно.
Напоминаю, я намерял 80 и 108 герц для скоростей 33 и 45, на таходиске с шестью прорезями. Для таходиска с восемнадцатью отверстиями значения частот нужно умножить на три (240 и 324 герца соответственно)!
У меня в тестовой схеме применен самый простенький генератор на двух инверторах. Как я описывал выше- он уже дает неплохую стабильность, но… не по-джедайски как-то. Что применить вместо него- пока не знаю сам. Можно пробовать NE555, который считается «прецизионным» таймером. Можно попробовать еще более крутую ICL8038 (функциональный генератор), хотя ее возможности для этой схемы избыточны. Или 74625- два генератора, управляемые напряжением, в одном корпусе. Или AD654/LM331- преобразователи напряжение-частота. Так или иначе- во всех случаях частотозадающим элементом будет или конденсатор, или индуктивность. Индуктивность- это экзотика, потому- конденсатор. А вот конденсаторы все поголовно так или иначе термозависимы. :( У них даже есть параметр ТКЕ- «температурный коэффициент емкости», показывающий, насколько изменяется емкость конденсатора с изменением его температуры. В моей «тестовой» схеме, пока игрался, я использовал еще советский К73-17 — он показал прекрасную термостабильность. А вот безымянный импортный PET-конденсатор таковой не показал- частота уплывала даже от касания до него пальцем, хотя формально он тоже «пленочный». В общем, какой бы генератор вы ни применили- так или иначе упретесь в выбор конденсатора.
Либо можно применить кварцевый генератор, с цифровым делителем частоты до требуемых значений. Хоть на какой-нибудь к561ие15, хоть на микроконтроллере. Но кварцевый (или керамический) резонатор- это механический эквивалент колебательного контура, потому работает либо на частоте основного резонанса, либо на гармониках, но так или иначе- частота кварцевого генератора фиксирована, и перестройке в широких пределах не поддается. :( И делить ее можно только с дискретным шагом. Если удастся «попасть» в нужное значение- отлично, если не удастся… придется брать другой кварц. Хотя, кварцованая Вега- это, конечно, круто! Возможно, в мире и существуют схемы плавно перестраиваемых генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, но мне таковые неведомы, поскольку я обычный любитель…
Так или иначе- вопрос генератора образцовой частоты оставляю открытым, и именно по этой причине готовой схемы стабилизатора с рисунками плат и «всеми делами» не привожу. Do It Yourself!

Как я уже говорил в самом начале- мне лично эта схема уже давно не актуальна, потому- доведу ли я ее до «завершенного состояния»- не факт. Скорее всего доведу, чисто из принципа. Неизвестно когда. Потому- отдаю в общественное пользование «что есть и как есть». Если вы придумаете триггеру честное динамическое управление, или найдете способ избежать стабилизации на кратных частотах (если она мне не привиделась), или подберете под схему простой, но стабильный генератор, или просто придумаете что тут еще можно упростить или улучшить- и напишете свою статью об этом- будет здорово! :)