Komponenty elektrické traktury

Komponenty elektrické traktury jsou běžné elektrosoučástky, používané obvykle v elektrických a elektronických obvodech a zařízeních. Jen některé z nich jsou konstrukčně přizpůsobeny specifickým požadavkům varhanářů.

Základním fyzikálním principem tohoto typu traktury je elektromagnetický jev. Ten je využíván v elektromagnetu – základním stavebním výkonném prvku elektrické traktury. K jeho činnosti je nutné napájení elektrickým proudem, který k němu přivedeme ze zdroje přes vedení, spínače, relé či stykače, svorkovnice, konektory…

O napájení celé elektrické traktury se stará napájecí zdroj. Ve varhanách se používá zdroj stejnosměrného proudu o napětí v rozmezí 6 až 24V. V počátcích rozvoje elektrických varhan se používalo dynamo (rotační zdroj), spojené často s motorem ventilátoru pro čerpání vzduchu do měchu. Dnes zdroj tvoří většinou transformátor s diodovým usměrňovačem či řízený usměrňovač (statický zdroj). Pro případ výpadku elektrické sítě je nutno napájení traktury zajistit z jiného, nezávislého zdroje. Měch varhan a tím i dodávku vzduchu mohou obsluhovat kalkanti („ručně či nožně“, pokud s tím varhanář počítal a ve varhanách je čerpací měch). Traktura se ale bez proudu neobejde, takže u varhan by měl být vybudován záložní zdroj. Ten většinou tvoří akumulátory, trvale dobíjené při „normálním“ provozu varhan (nevýhodou je jejich nízká životnost a nutnost časté kvalifikované údržby). Výhodnější se jeví řešení napájení traktury varhan a případně i ventilátoru měchu z havarijního záložního zdroje pro osvětlení a ventilaci budovy (koncertní síně apod.), ve které se varhany nacházejí. Takový zdroj je většinou řešen kombinací akumulátorů se střídačem a motorgenerátorem (diesselovým nebo jiným spalovacím motorem poháněným elektrickým generátorem) a je podstatně spolehlivější.

Elektrická energie je po celém nástroji rozvedena pomocí elektrických vodičů. Používají se měděné kabely různého průřezu (v závislosti na velikosti procházejícího proudu) a s různým počtem žil. Hrací stůl bývá propojen s nástrojem mnohažilovým kabelem či kabely (dříve z důvodu odolnosti proti poškození nepříliš kvalitní izolace předřením či hlodavci se používal pancéřový kabel s ochranou pomocí navinutých kovových pásků pod poslední vrstvou izolace). Dnes se používají i jiná řešení propojení – v hracím stole multiplexer (kodér), převádějící stisky kláves na sériový kód a pod vzdušnicí demultiplexer (dekodér), převádějící tento kód na řídicí signály pro magnety. Propojení stůl – skříň nástroje pak je možné řešit např. optickým kabelem nebo bezdrátově rádiovým signálem.

Zařízením, řídícím chod celé traktury, na které bezprostředně působí varhaník jsou kontakty, spínače, vypínače a přepínače různého typu. Většinou se jich obsluha nedotýká přímo, ale jsou součástí kláves, sklopek, páček či tahélek.

Funkcí všech kontaktů je uzavírání či přerušování elektrického obvodu. Správnost a spolehlivost jejich funkce je silně závislá na vlastnostech použitých materiálů. Nepříznivě na ně působí vnější vlivy, především nečistoty (prach, mastnota), vlhkost a agresivní výpary. Aby se předešlo zhoršování elektrických vlastností kontaktů, vyrábějí se většinou z ušlechtilých materiálů, odolných proti oxidaci (zlato, stříbro, platina) a konstrukčně se upravují tak, aby se místo styku dvou kontaktů v okamžiku sepnutí po sobě mírně pohybovalo (čímž se případné cizí vrstvy bránící průchodu proudu naruší a setřou).
Další problém opotřebení kontaktů je elektrický – opalovaní v důsledku jiskření při jejich rozpojování. Elektrický oblouk, zapálený mezi kontakty způsobí miniaturní roztavení jejich povrchu a rozstříknutí kovu do okolí. Tím vznikne maličký kráter. Po čase opálený kontakt nemůže spolehlivě spínat el. obvod a je nutné jej vyměnit. Tomu se snažíme zabránit použitím odolných materiálů (stříbro, iridium), konstrukční úpravou kontaktu (rychlý odtrh) a dodatečnými elektrickými prvky, připojenými paralelně ke kontaktu (kondenzátory, odpory). Ty v okamžiku rozpojení kontaktu převezmou na zlomek sekundy proud tekoucí kontaktem a zabrání tak vzniku jiskry. U nejnovějších nástrojů jsou některé kontakty nahrazeny optoelektronikou, umožňující bezkontaktní spínání na principu přerušení světelného paprsku clonkou. U tohoto spínání všechny výše uvedené problémy odpadají, nevýhodou nemusí být ani zatím poněkud vyšší cena, která se brzy vrátí díky vyšší spolehlivosti a menší potřebě údržby.
Varhanáři používají při stavbě nástrojů velký počet různě řešených kontaktů. Proto si zde popíšeme jen základní, nejjednodušší a nejnázornější typy:

Velmi jednoduchý je kontakt, jehož nepohyblivá část je vetknuta v nevodivé opoře (ve varhanách často dřevěné nebo z kompozitního materiálu – pertinaxu, texgumoidu, sklolaminátu apod.). Druhý kontakt je připevněn k pohyblivé součásti – páce, klávese. Při jeho pohybu se na své dráze setká s pevným kontaktem a uzavře tak elektrický obvod. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost přivedení proudu k pohyblivému kontaktu pomocí ohebného vodiče či pásku (možnost ulomení přívodu díky častému mechanickému namáhání).

Tento kontakt se podle konstrukce pomocí „jehel“, tvořících pevnou část nazývá často jehlový. Jehla může být jedna nebo je kontakt tvořen celou sadou jehel, spínajících nezávislé obvody (větší nástroje se spojkami, transmisemi apod.).

bloček s klávesovými jehlovými kontakty. Foto: katalog Organ Supply Industries

Jiné řešení představuje tato animace. Kontakt je tvořen pérovým svazkem (pružné pásky, např. fosforbronzové s přivařenými kontaktními prvky – čočkami z ušlechtilého materiálu) vetknutým v nevodivé opoře. Klávesa v tomto případě přes pružnou páku jen pohybuje jedním z per, sama nepotřebuje zvláštní přívod el. proudu.

Komplikovanější konstrukce tohoto typu umožňuje jednou klávesou ovládat několik nezávislých kontaktů (zde tří svazků, ale může jich být i více). Takové kontakty jsou opět potřeba u složitějších nástrojů se spojkami, transmisemi atd.

Další možné řešení kontaktu představuje dvojice pružin (kulatého průřezu či ve formě pásků), které jsou v klidu mírně rozevřeny. Zasune-li se mezi ně vodivý kolík, může proud procházet cestou pružina – kolík – druhá pružina.
(Tento typ kontaktu se používá i v jiné, zde nezobrazené úpravě – v klidu se pružiny dotýkají a proud prochází, zasunutím kolíku, tentokrát z nevodivého materiálu se kontakty od sebe oddálí a proud se vypne).

S tímto typem kontaktu se setkáme často v konstrukci rejstříkové traktury. Na trnu, spojeném s tahélkem či páčkou je připevněn kovový prstenec (kroužek). Při posunutí trnu se kroužek sevře mezi péra kontaktů a uzavře elektrický obvod.

S rozvojem elektrotechniky a elektroniky v závěru minulého století došlo k značnému zdokonalení a snížení ceny kontaktních prvků. Proto se u v současné době stavěných varhan využívají podstatně modernější řešení (mikrospínače na plošném spoji, jazýčkové elektromagnetické spínače či přímo optoelektronické bezkontaktní spínání), umožňující konstrukci hracího stolu značně zjednodušit a zlepšit jeho užitné vlastnosti i spolehlivost.

U optoelektrického bezkontaktního spínání se používají optozávory - optoelektronické součástky, u nichž se sepnutí či rozepnutí výstupu docílí zacloněním či odcloněním světelného paprsku. Každá optozávora se skládá ze dvou částí - vysílací (obsahuje zdroj světla, dnes nejčastěji světloemitující diodu LED, pracující v neviditelné - infračervené oblasti světla) a přijímací (polovodičový prvek, měnící svou vodivost v závislosti na osvětlení, používá se fotodioda nebo fototranzistor). O přerušování světelného paprsku na dráze vysílač - přijímač se stará malá clonka, pohybující se ve štěrbině mezi LED a fototranzistorem. Nejčastější provedení optozávory je na následujících obrázcích:

Běžné provedení optozávory. Foto: katalog GES Electronic. Běžné provedení optozávory s možností mechanického uchycení pouzdra. Foto: katalog GES Electronic.

Animace ukazuje spolupráci optozávory s clonkou (ta je ve skutečnosti připevněna k součásti, od jejíhož pohybu má být odvozeno sepnutí, např. klávese, úhelníku traktury apod.) Zastíní-li clonka papsek od zdroje světla (LED) ke snímači (fototranzistoru), přestane jím téci proud, navazující obvod tento stav vyhodnotí a předá dále k obvodům, které provedou příslušnou akci. Přesný okamžik sepnutí lze seřídit mírným posunem clonky vůči pohybující se součástce.

Použití optospínače ve spojení s klávesou ukazuje následující animace. Clonka je připevněna ke spodní části klávesy a pohybuje se tak společně s ní. Klávesa je držena v klidové poloze pružinou:

Skutečný mechanismus klaviatury s optickým spínáním ukazuje tato fotografie. Klávesa je oproti zjednodušené předchozí animaci doplněna vyvážením, vedením pomocí kolíků a bodcem k simulátoru mechanické traktury (varhany na sv. Hostýně, foto Organ - Service):

Optické spínání klaviatury (varhany na sv. Hostýně). Foto: Ivo Roháč, firma Organ - Service, http://www.mujweb.cz/www/varhany

Vzhledem k tomu, že optoelektronický spínač samotný nemá žádné dotýkající se pohyblivé součásti (clonka se pohybuje ve štěrbině mezi optoprvky a není s nimi přímo ve styku) ani kontakty ("sepnutí" probíhá ve struktuře polovodiče bez nepříznivých jevů, doprovázejících spínaní kontaktních spínačů - jiskření, opalování apod), je provozně velmi spolehlivý, neopotřebovává se (životnost LED jako zdroje světla převyšuje desítky tisíc provozních hodin) a nepotřebuje proto žádnou údržbu (běžné kontakty je nutné čistit, kontrolovat jejich opal a případně je vyměňovat). V současnosti proto vytlačuje kontaktní spínače.

Dalším typem spínače s vysokou životností a spolehlivostí je magnetický jazýčkový kontakt. Ten je tvořen dvojicí pružných jazýčků, které jsou zataveny ve skleněné trubičce, naplněné inertním plynem. Kontakt se spíná přiblížením magnetu (nebo sepnutím proudu do cívky elektromagnetu v jeho blízkosti). Tím dojde ke zmagnetování konců jazýčků, jejich vzájemnému přitáhnutí a doteku (uzavření obvodu).

Na opačném konci elektrické traktury než jsou řídicí kontakty se nacházejí akční členy, vykonávající příslušnou nařízenou činnost. Jsou to většinou elektromagnety, dnes se ale setkáme i se servomotory.

Elektromagnet je, jak už název napovídá – magnet řízený elektricky. Skládá se většinou ze dvou částí – cívky, navinuté izolovaným drátem na kostřičce z izolantu (tvrzeného papíru nebo plastu) a jádra z měkké oceli. Přiložení napětí k vývodům cívky vyvolá v této cívce průtok elektrického proudu a vznik magnetického pole kolem jednotlivých závitů. Toto pole se díky vlastnostem materiálu jádra koncentruje v tomto jádře a způsobuje „přitahování“ předmětů z některých kovovů (feromagnetik). Sílu přítahu lze zvýšit vhodným tvarem jádra. Po odpojení proudu do cívky magnetické pole zanikne a dosud přidržované předměty odpadnou.

Následující obrázek představuje konstrukci ve varhanářství nejčastěji používaného typu magnetu:

páčkový elektromagnet. Foto: katalog Organ Supply Industries

Cívka je nasazena na železné jádro a je napájena z přívodů. Pólový nástavec jádra je kloubově spojen se speciálně tvarovanou pohyblivou kotvou. Je-li cívka protékána proudem, kotva, představující vlastně jednoramennou páku (různé typy pák jsou podrobně popsány v kapitole o komponentech mechanické traktury) se přitáhne k jádru. Během pohybu díky tvaru páčky kotvy nedojde k přímému styku - nárazu kotvy do jádra magnetu (jak je obvyklé u jiných magnetů pro běžné elektrotechnické použití, např. ve stykačích či elektromagnetických relé), takže celek pracuje téměř bezhlučně.

Páčka (doraz), připevněná k pohyblivé části kotvy, slouží ke spojení elektromagnetu s dalšími prvky varhan, např. s ventily. Po vypnutí magnetu se tato páčka vrací do výchozí polohy pomocí pružiny. Rozmezí pohybu lze u některých magnetů seřídit stavěcím šroubkem nebo vytvarováním (najustováním) mechanických dorazů, tvořených výstupky na konstrukční – upevňovací části magnetu.

Elektromagnet s mírně odlišnou konstrukcí představují následující obrázek a animace:

Páčkový elektromagnet. Foto: Katalog Laukhuff

Ve srovnání s předchozími obrázky je vidět odlišný způsob upevnění páčky kotvičky. Páčka zde tvoří dvouramennou páku. Způsob a princip činnosti je shodný s předchozími typy magnetů – jedno rameno je přitahováno činností magnetu, druhé může např. nadzvedávat kuželku ventilu.

Častým řešením, používaným u nástrojů s čistě elektrickou trakturou je spojení elektromagnetu přímo s ventilem (kotva magnetu je přímo pohyblivou částí ventilu). Tyto magnety se montují většinou dovnitř vzdušnice přímo k píšťalám. Každá z píšťal má svůj elektromagnet, který přímo uzavírá či otevírá přítok vzduchu do nohy píšťaly (do kanálku v píšťalnici pod píšťalou). Další použití tohoto typu magnetů je v elektropneumatickém mezirelé pro převod elektrických signálů na pneumatické ovládání (setkáme se s ním často u nástrojů s traktrurou přestavěnou z čistě pneumatické na elektrickou - elektropneumatickou).

elektromagnetický ventil. Foto: katalog Organ Supply Industries

Elektromagnetický ventil může mít i podobu disku, pohybujícího se v pouzdře s kanálky díky magnetickému poli, tvořenému elektromagnetem. S tímto typem ventilů se setkáme spíše u smíšených – elektropneumatických traktur (bližší popis funkce viz kapitola komponenty elektropneumatické traktury):

Pohyb komponentů rejstříkové traktury vyžaduje podstatně silnější a rozměrnější elektromagnety. Současné varhanářství v odůvodněných případech používá k přesunu větších hmot (např. zásuvek na vzdušnicích pedálových rejstříků) i servomotory.

Jedno z častých provedení přesuvných (tažných či tlačných) magnetů ukazuje následující obrázek:

Tažné tyčové elektromagnety v dvojitém a jednoduchém provedení.

Jednoduchý tyčový magnet (na nákresu spodní) po připojení proudu do cívky vtáhne jádro do dutiny cívky. Po vypnutí proudu zanikne síla, která jádro držela v dutině a magnet se do výchozí polohy může vrátit jen působením vnější síly (např. pružiny či závaží). Pokud má připojený mechanismus setrvat v poloze, ve které je jádro vtaženo do cívky, musí být magnet po celou tuto dobu napájen ze zdroje.

Dvojitý tyčový (sací) magnet (horní na předchozím nákresu) umožňuje střídavým zapojováním jedné či druhé cívky jádro přesouvat v dutině mezi nimi tam i zpět (viz animace dále). Elektrický příkon tedy potřebuje jen po dobu přesunu, pak může být proud vypnut (samozřejmě pokud na jádro nepůsobí vnější síla, pak by tato síla vedla ke změně polohy – toho se využívá např. u smíšené elektromechanické rejstříkové traktury, zásuvku lze ovládat magnetem i ručně). Spínání cívek je automatizováno pomocí koncových spínačů (proud do cívky se po dojezdu kotvy do koncové polohy samočinně vypne).

Jednoduchý tyčový magnet. Foto: Katalog Laukhuff

Na obrázku je fotografie jednoduchého (tj. s jednou cívkou) magnetu. Jádro se pohybuje uvnitř dutiny cívky a jeho dráha je mechanicky vymezena stavitelnými zarážkami. Na následující animaci je tento magnet zachycen při činnosti (zpomaleně). Po zapnutí proudu do cívky je jádro vtaženo do její dutiny dutiny, po jeho vypnutí se vysune zpět působením vnější síly (ta je na této animaci symbolizována pružinou, u skutečného magnetu se o návrat do výchozí polohy postará ovládaný mechanismus - buďto pružinou nebo vlastní vahou - vyvážením).

Dvojitý tyčový tažný magnet může přesouvat připojený mechanismus mezi dvěmi polohami. Pokud je tento mechanismus samosvorný (nepotřebuje k setrvání v nové poloze další působení síly, drží sám třením, typický představitel je např. zásuvka ve vzdušnici), může být proud do cívky po vykonání pohybu vypnut:

Tyto typy magnetů mají jednu nevýhodu. Tažná síla není v celé dráze pohybu kotvy konstantní, ale narůstá s vtažením jádra do cívky. Ke konci pohybu tedy magnet dosedne na mechanický doraz značnou silou, což způsobuje jednak nepříjemné mechanické rázy na ovládané zařízení, jednak může být příčinou značného hluku (charakteristické rány při změně registrace). Proto se dnes magnety doplňují složitou elektronikou (většinou s jednočipovým mikropočítačem), která plynulým nebo impulsním řízením přívodu proudu (u dvojitého magnetu do obou vinutí elektromagnetů současně) zabezpečuje plynulý rozjezd a zabrzdění kotvy, takže celý mechanismus se chová tiše a je šetrný k připojenému zařízení. Příklad vzhledu takového magnetu je na následujícím obrázku:

Dvojitý tyčový sací magnet s elektronickým řízením pohybu kotvy. Foto: Katalog Laukhuff.

Na dalších stránkách je popsáno použití těchto komponentů v tónové a rejstříkové traktuře a ve spojkách.

Poznámka: Tato stránka je součástí Anatomie varhan ®, © Ing. Petr Bernat. Animace © Konrad Zacharski a Ing. Petr Bernat.