Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

а— схематический вид устройства; б— лазерные узоры

Еще в прошлом веке в самых разнообразных устройствах широко использовалось перемещение луча света зеркалами. Достаточно вспомнить зеркальный гальванометр, шлейфовые осциллографы и самописцы, первые системы «механического» телевидения. Сейчас все это выглядит анахронизмом, хотя и в современных видеопроекторах используется специальная матрица из микрозеркал.

Но как же все-таки образуется конкретный световой узор и как им управлять? Для того чтобы разобраться в этом, можно начертить на листе бумаги, как ведет себя луч света, отраженный вначале только от первого вращающегося как бы с угловым биением, зеркальца. Достаточно лишь вспомнить элементарные законы геометрической оптики: «угол падения равен углу отражения, и лучи, падающий и отраженный, а также перпендикуляр, восстановленный из точки падения, лежат в одной плоскости». Вот только в нашем случае эта плоскость будет вращаться с угловым биением по отношению к плоскости, перпендикулярной оси двигателя.

Можно провести и нехитрый эксперимент, если сохранился старый электропроигрыватель. На его диске под небольшим углом следует закрепить (скотчем или пластилином) зеркальце, которое надо осветить (не обязательно лазером). Приведя диск во вращение, увидим на потолке световой «зайчик», бегающий по кругу. Теория, использующая геометрическую оптику, даст тот же результат.

Теперь необходимо сделать второй шаг: эту светящуюся окружность надо направить под некоторым углом на второе, вращающееся также с биением зеркальце. Не знаю, удастся ли вам сделать соответствующие пространственные построения или провести натурный опыт, добавив еще один (перевернутый вверх тормашками) проигрыватель или вентилятор. Значительно целесообразнее смоделировать работу этого устройства на компьютере.

Задача, по сути, делится на две части: 1) моделирование работы системы управления в виде виртуальной схемы; 2) моделирование картины развертки луча.

Первая часть стандартно, как и ранее, решается средствами EWB. На рис. 141 показана полная модель, содержащая компоненты, используемые в наборе Мастер КИТ NK300, с максимальным сохранением их позиционных обозначений и номиналов; изменения и добавленные элементы будут откомментированы ниже.

Рис. 141. Виртуальная модель в EWBлазерного эффекта Мастер КИТ NK300

Для управления частотой вращения двигателей в схеме использована транзисторная сборка (VT1-VT4), помещенная в стандартный DIP-корпус. Выводы в этой сборке на рис. 141 имеют, соответственно, номера узлов 1-14. На транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме с общим эмиттером, собрана балансная схема, к которой подключен двигатель М2, аналогично — на транзисторах VT3, VT4 — двигатель М1. В комплекте используются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В модели мы применили подобные двигатели, но цепи их возбуждения «запитали» от отдельных источников ЕМ1 и ЕМ2, которых, конечно, на самом деле нет в реальном устройстве.

Выбор параметров двигателей (рис. 142) выполнен в соответствии с примером для электродрели (см. рис. 100, в ), но, естественно, величины отличаются.

Рис. 142. Выбор параметров двигателей виртуальной модели в EWBлазерного эффекта Мастер КИТ NK300

Вольтметры, условно подключенные к валу, как и прежде в модели дрели, играют роль тахометров: одному вольту на их шкале соответствует один оборот вала в минуту. Потенциометры Р1 и Р2, управляемые соответственно клавишами X и Y, изменяют в балансных схемах напряжение на якоре двигателей, что позволяет регулировать частоту их вращения независимо друг от друга. Это легко пронаблюдать на вольтметрах-тахометрах, включив моделирование и нажимая на клавиатуре X и Y, для уменьшения скорости или совместно с клавишей Shift — для ее увеличения.

Решение второй части задачи может быть проведено аналитически с использованием законов геометрической оптики и кинематики, а картина в виде графиков выведена на дисплей в любом математическом пакете. Возможно, кого-то это и заинтересует, но мы поступим по-иному.

Используем то обстоятельство, что проекция на вертикальный экран светящейся точки, вращающейся по окружности в другой плоскости, перпендикулярной первой, совершает колебания по отрезку прямой. При равномерном вращении с некоторой угловой скоростью это будут гармонические колебания с такой же угловой частотой и амплитудой, равной радиусу (при плоскопараллельном проектировании). Если плоскость колебаний вертикальна, то и светящаяся линия на экране — вертикальна. Если же плоскость колебаний горизонтальна, то и линия на экране — горизонтальна. Наконец, если точка будет участвовать одновременно в этих двух движениях, то колебания на экране будут при равных частотах иметь вид окружности, эллипса или прямой линии с разными наклонами, зависящими от начальных фаз.