Оптические датчики скорости в «Союзе-110»: зачем инженеры усложнили узел подкатушечников

Катушка номер 18 с магнитной лентой длиной 525 м при быстрой перемотке развивает частоту вращения свыше 30 об/с, а линейная скорость полотна превышает 35 км/ч. Попытка зажать такой узел механическими тормозными колодками приведет к разрыву лавсановой ленты толщиной 34 мкм от прямого динамического удара. В аппарате первой группы сложности «Союз-110-стерео» разработчики решили задачу сохранения ленты электронным способом, установив под подкатушечниками оптические датчики контроля скорости.

Среди владельцев советской катушечной аппаратуры бытовало представление, что оптические элементы в тракте отвечают лишь за автостоп — обнаружение прозрачного ракорда на конце ленты для отключения питания привода. В тракте движения ленты перед блоком головок действительно работал такой узел. Однако при снятии защитной панели механизма «Союза» обнаруживались еще две оптопары, закрепленные под левым и правым подкатушечниками. Их задача состояла в непрерывном измерении частоты вращения боковых двигателей в момент остановки.

Физика остановки: почему нельзя сразу включить механические тормоза

«Союз-110-стерео» весил 24 кг и имел трехмоторный лентопротяжный механизм, где боковые узлы вращались отдельными асинхронными двигателями. Во время перемотки один мотор тянул ленту, а второй обеспечивал постоянное обратное натяжение, исключая провисание рулона. При нажатии клавиши «Стоп» на максимальной скорости блок управления не подавал питание на электромагнит механических тормозов. Инженеры учитывали неравномерность нагрузок: с одной стороны аппарата находилась пустая катушка весом около 150 г, а с другой — полная бобина массой более 500 г.

Если бы механические тормоза с резиновыми накладками сработали мгновенно, легкая катушка остановилась бы сразу, а тяжелая бобина продолжила бы вращение по инерции. Это привело бы к выбросу петли магнитной ленты на панель аппарата и последующему рывку с деформацией рабочего слоя. Чтобы исключить механический удар, блок управления электроприводом при нажатии кнопки останова переводил боковые двигатели в режим динамического торможения противовключением.

При противовключении на обмотки моторов подается напряжение обратной фазировки, создающее вращающий момент строго против текущего направления движения роторов. Двигатели принудительно гасят кинетическую энергию катушек за счет электромагнитного поля, сохраняя натяжение ленты в тракте. Но здесь существовало физическое ограничение по времени: если подавать противовключение дольше необходимого срока, моторы остановятся и сразу начнут обратное вращение, вытягивая ленту в противоположную сторону. Зафиксировать интервал простым реле времени было нельзя: длительность замедления зависела от оставшегося на катушке объема ленты.

Порог в два оборота в секунду: принцип работы оптического узла

Для контроля частоты вращения на оси каждого подкатушечника был закреплен диск-обтюратор с радиальными сквозными прорезями. Рядом с диском установлена оптопара: инфракрасный светодиод излучает направленный световой поток, а фотоприемник на обратной стороне фиксирует вспышки и формирует электрические импульсы. Частота следования импульсов на выходе фотоусилителя строго пропорциональна реальной угловой скорости каждого подкатушечника в данный момент времени.

Сигналы с обеих оптопар поступают на плату блока управления, где компаратор отслеживает снижение частоты по мере электромагнитного торможения узлов. На протяжении всей работы режима противовключения соленоид механического тормоза остается обесточенным, а тормозные колодки удерживаются отведенными от барабанов. Электронная схема постоянно сравнивала частоту импульсов с опорным порогом, дожидаясь, пока скорость вращения узлов не опустится до отметки 1,5-2 об/с.

Показатель 1,5-2 об/с был выбран как безопасный порог: кинетическая энергия катушки на такой скорости падает до уровня, при котором механический тормоз останавливает вращение без рывка и деформации основы. Как только частота импульсов с обтюратора опускается ниже порогового значения, схема снимает тормозное напряжение противовключения с обмоток двигателей и включает электромагнит механических тормозов. Колодки прижимаются к барабанам, окончательно блокируя катушки за доли секунды. Однако эта надежная логика имела конкретную эксплуатационную уязвимость.

Сбои датчиков при загрязнении и методы обслуживания

Точность работы оптопар напрямую зависела от чистоты прорезей дисков-обтюраторов и оптических окон датчиков. В процессе длительной работы магнитофона внутрь корпуса через вентиляционные решетки попадала домашняя пыль, смешивавшаяся с микрочастицами ферромагнитного порошка, осыпавшегося со старых лент марок А4409-6Б и А4411-6Б. Загрязнение оптического зазора снижало уровень светового потока, из-за чего амплитуда импульсов на входе логических микросхем падала ниже порога срабатывания логической единицы.

При потере импульсов схема управления ошибочно определяла скорость вращения вала как нулевую еще в процессе быстрой перемотки. В этот момент электромагнит преждевременно сбрасывал механические тормоза на высокой скорости, вызывая замятие кромок ленты и сход ее с направляющих стоек. В случае другого типа сбоя схема не фиксировала снижение скорости, продолжала подавать ток противовключения, и моторы начинали вращать катушки в обратную сторону с выбросом свободных петель. По этой причине при ремонте и профилактике магнитофонов «Союз» мастера в первую очередь очищали рабочие поверхности оптопар спиртом и проверяли сигнал осциллографом.

Следящая система на базе оптопар и дисков-обтюраторов в «Союзе-110-стерео» представляла собой надежную замкнутую цепь управления скоростью, собранную на базовых дискретных радиодеталях без использования микропроцессоров. Она позволила полностью исключить человеческий фактор и ошибки таймеров при скоростном торможении тяжелых катушек.