Шаговый искатель

Шаговый искатель — это электромеханическое устройство, предназначенное для коммутации электрических цепей путём последовательного перемещения подвижного контакта (щетки) по неподвижным контактам (ламелям). Относится к классу коммутационных аппаратов с прерывистым (шаговым) движением рабочего органа. Широко применялся в автоматике, телефонии и вычислительной технике середины XX века для построения систем управления, счётчиков импульсов и многоканальных переключателей.

История

Первые шаговые искатели были разработаны в конце XIX — начале XX века в связи с необходимостью автоматизации телефонных станций. В 1891 году американский изобретатель Алмон Браун Строуджер создал первый автоматический телефонный коммутатор, в котором использовался принцип шагового перемещения контактов. Однако прообразом современного шагового искателя считается устройство, запатентованное в 1902 году шведским инженером Ларсом Магнусом Эрикссоном.

Массовое производство шаговых искателей началось в 1920-х годах, когда телефонные сети переходили от ручных коммутаторов к автоматическим станциям. В СССР первые шаговые искатели (типа ШИ-11, ШИ-17) были освоены в 1930-х годах на Ленинградском заводе «Красная заря». В 1950-1960-х годах они стали основой для построения декадно-шаговых и координатных автоматических телефонных станций (АТС), а также использовались в системах управления промышленными процессами и в первых электронно-вычислительных машинах (например, в машине «Сетунь»).

С развитием полупроводниковой электроники и микропроцессоров в 1970-1980-х годах шаговые искатели постепенно вытеснялись интегральными микросхемами и релейными схемами. Тем не менее, они продолжали выпускаться и эксплуатироваться вплоть до 1990-х годов, особенно в системах, требовавших высокой надёжности и устойчивости к электромагнитным помехам.

Устройство и принцип действия

Основными элементами шагового искателя являются:

• Ротор (подвижная часть) — вал с закреплёнными на нём щётками (контактными пружинами). Щётки могут быть выполнены в виде металлических пластин или проволочных петель.
• Статор (неподвижная часть) — набор контактных ламелей, расположенных по окружности (в искателях вращательного типа) или в несколько рядов (в искателях поступательного типа). Ламели изготавливаются из сплавов серебра или меди для обеспечения низкого переходного сопротивления.
• Привод — электромагнитный механизм, обеспечивающий прерывистое перемещение ротора. Обычно состоит из электромагнита (катушки с сердечником), якоря и храпового механизма (собачка и храповое колесо). При подаче импульса тока на катушку якорь притягивается, поворачивая храповое колесо на один шаг; при снятии импульса пружина возвращает якорь в исходное положение.
• Коммутационная плата — основание, на котором закреплены статор, привод и контактные группы.

Принцип действия основан на преобразовании последовательности электрических импульсов в дискретное механическое перемещение. Каждый импульс тока, подаваемый на катушку привода, вызывает поворот ротора на один фиксированный шаг (обычно 15°, 30° или 45°). При этом щётки переходят с одной ламели на соседнюю, замыкая или размыкая соответствующие цепи.

Классификация

Шаговые искатели классифицируются по нескольким признакам:

По типу движения

• Вращательные — ротор совершает вращательное движение вокруг оси. Наиболее распространённый тип. Примеры: ШИ-11, ШИ-17, ШИ-25.
• Поступательные — ротор движется линейно (вперёд-назад) вдоль направляющих. Использовались в редко встречающихся конструкциях, например, в некоторых моделях АТС.
• Комбинированные — совмещают вращательное и поступательное движение (например, искатели с многорядным расположением ламелей).

По числу контактных полей

• Однопольные — один набор ламелей, обслуживаемый одной щёткой.
• Многопольные — несколько наборов ламелей, расположенных на разных уровнях, с отдельными щётками для каждого поля. Позволяют коммутировать несколько цепей одновременно.

По способу управления

• С шаговым управлением — перемещение на один шаг при каждом импульсе. Используются в системах, где требуется точное позиционирование.
• С самовозвратом — после снятия управляющего сигнала ротор возвращается в исходное положение под действием пружины.
• С реверсивным управлением — могут перемещаться как вперёд, так и назад, в зависимости от полярности импульсов.

Применение

В телефонии

Шаговые искатели были основным коммутационным элементом декадно-шаговых АТС (например, АТС-54, АТС-К). В таких станциях искатели использовались для:

• Предварительного искания — выбора свободного соединительного тракта при наборе номера.
• Группового искания — подключения к нужной абонентской линии.
• Линейного искания — соединения с вызываемым абонентом.

Каждому импульсу набора номера (от 1 до 10) соответствовал шаг искателя. Например, при наборе цифры «5» искатель совершал 5 шагов, подключая щётку к пятой ламели.

В промышленной автоматике

Шаговые искатели применялись в системах программного управления станками, конвейерами и роботами. Они выполняли функции:

• Счётчика импульсов — подсчёт количества событий (например, оборотов вала).
• Программного задатчика — последовательное переключение цепей в соответствии с заранее заданной программой.
• Многоканального реле времени — включение/выключение исполнительных устройств в заданной последовательности.

В вычислительной технике

В ранних ЭВМ шаговые искатели использовались для:

• Коммутации регистров памяти — в машинах с ферритовой памятью.
• Управления вводом-выводом — в перфораторах и считывателях перфолент.
• Реализации арифметических операций — в некоторых моделях (например, в советской ЭВМ «Минск-1»).

В измерительной технике

Шаговые искатели входили в состав автоматических мостов, потенциометров и самописцев, где обеспечивали переключение диапазонов измерений или последовательный опрос датчиков.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая надёжность — механические контакты выдерживают миллионы переключений при правильной эксплуатации.
• Устойчивость к помехам — нечувствительность к электромагнитным помехам, в отличие от полупроводниковых устройств.
• Простота обслуживания — конструкция позволяет легко заменять изношенные контакты и пружины.
• Низкая стоимость — в период массового производства шаговые искатели были дешевле электронных аналогов.

Недостатки

• Ограниченный ресурс — механический износ контактов и храпового механизма.
• Шум при работе — характерный звук щелчков при каждом шаге.
• Низкая скорость переключения — время одного шага составляет 10-50 мс, что ограничивает быстродействие.
• Большие габариты и масса — по сравнению с полупроводниковыми коммутаторами.

Интересные факты

• В СССР шаговые искатели выпускались до конца 1980-х годов. Наиболее массовыми были модели ШИ-11 (11 контактов) и ШИ-17 (17 контактов).
• Шаговые искатели использовались в системе управления первой советской атомной электростанции (Обнинская АЭС, 1954 год) для контроля параметров реактора.
• В некоторых музеях связи (например, в Центральном музее связи имени А. С. Попова в Санкт-Петербурге) сохранились действующие макеты декадно-шаговых АТС, где посетители могут наблюдать работу шаговых искателей.
• Принцип шагового перемещения контактов лёг в основу конструкции первых электромеханических счётчиков импульсов, которые применялись в системах учёта электроэнергии.

Современное состояние

В настоящее время шаговые искатели практически полностью вытеснены полупроводниковыми и микропроцессорными устройствами. Тем не менее, они продолжают эксплуатироваться в некоторых отраслях, где требуется высокая устойчивость к радиации и экстремальным температурам (например, в системах управления атомных реакторов и космических аппаратов). Также шаговые искатели используются в ретро-технике и в качестве учебных пособий в технических вузах.

Источники

• Баранов А. В., Зингер И. И. «Автоматические телефонные станции». — М.: Связь, 1975.
• Гуревич В. И. «Электромеханические устройства автоматики». — Л.: Энергия, 1972.
• Коган Б. Я. «Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования». — М.: Физматгиз, 1963.
• Техническая документация на шаговые искатели ШИ-11, ШИ-17 (ГОСТ 14255-69).
• Материалы Центрального музея связи имени А. С. Попова (Санкт-Петербург).