Метода

31

температуры, изменяются геометрические размеры и сопротивление экрана, что влияет на параметры катушки.

Экраны выполняют в виде круглых или прямоугольных стаканов из алюминия, меди или латуни. Наименьшие потери вносят медные экраны, но алюминиевые дешевле и поэтому находят большее применение.

2.Лабораторное оборудование и образцы

Вработе используется измеритель добротности (Q-метр) и набор образцов исследуемых катушек индуктивности.

Порядок работы с Q-метром даны в дополнительной инструкции.

Необходимые для расчетов параметры (размеры) исследуемых образцов приводятся

всправочной таблице, прилагаемой к лабораторному макету.

3.Порядок выполнения работы

1.Рассчитать индуктивность L , образцов, не имеющих сердечника и экрана, используя описанные методики и справочные материалы на образцы.

2.С помощью Q-метра на указанных частотах получить данные для расчета индуктивности, собственной емкости катушек, сопротивления потерь. Порядок измерений приведен в Приложении 1. Построить частотные зависимости индуктивности, добротности и сопротивления потерь. Используя рассчитанные в предыдущем пункте значений параметров, определить относительную погрешность расчета индуктивности и собственной емкости.

3.Сравнивая параметры конструктивно одинаковых катушек, отличающихся только

наличием сердечника, определить относительную магнитную проницаемость μr , и относительную добротность Qr , сердечника, а также построить их зависимость от

частоты.

4. Исследовать влияние экрана на индуктивность, собственную емкость и добротность катушки, сопоставив параметры идентичных катушек без экрана и с экраном. Рассчитать коэффициент связи экрана с катушкой.

5.Содержание практической части отчета

1.Функциональная схема лабораторного исследования. Приборы, их основные параметры и погрешности измерений. Конструктивные и электрические параметры исследуемых катушек.

2.Результаты аналитических расчетов параметров использованных катушек индуктивности.

3.Результаты экспериментальных исследований параметров и характеристик катушек индуктивности.

4.Выводы с анализом результатов.

5.Контрольные вопросы

1.Параметры катушек индуктивности.

2.Каркасы и обмотки катушек индуктивности.

3.Расчет индуктивности катушек с однослойной обмоткой.

4.Расчет индуктивности катушек с многослойной обмоткой.

5.Расчет числа витков катушек индуктивности.

6.Сердечники катушек индуктивности: типы, материалы, технология изготовления.

7.Влияние сердечника на параметры катушек индуктивности.

8.Влияние экрана на параметры катушек индуктивности.

31

32

9.Особенности конструирования высокодобротных катушек.

10.Особенности конструирования высокостабильных катушек.

11.Зависимость параметров катушек от частоты.

7.Литература

1.Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989.

2.Свитенко В.И. Электрорадиоэлементы. - М.: Высш. школа, 1987.

3.Белевцев А.Т. Технология радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1977,

4.Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. - М.: Мир,

1990.

8.Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности, - М.: Энергия, 1989.

				Приложение 1
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ НА ОБРАЗЦЫ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ
Образец	N" 1.1(1)	N" 1.2(2)	N" 2.1(3)		N" 2.2(4)
Обмотка	Сплошная	Сплошная	С шагом		С шагом
Сердечник	Нет	Стержневой	Нет		Нет
Экран	Нет	Нет	Нет		Алюмин.
Число витков	24	24	7		7
Диаметр, см	0,5	0,5	0,6		0,6
Длина, см	0,8	0.8	-		-
Шаг намотки, мм	-	-	1		1
Диам, провода, мм	0,3	0.3	0,4		0,4
Частота
измерения, МГц	9,11,14	9,11,14	18,22,26,30,34		18,22,26,30,34

ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ Q-МЕТРА ВМ56О К РАБОТЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Подготовка к работе 1.1. Поставить ручки управления в исходное положение;

- переключатель рода измерений "Q - Q" в положение Q,

-установить переключатель "ЧАСТОТА" на требуемый поддиапазон;

-установить ручкой "ЧАСТОТА" требуемую частоту;

- переключатель рода измерений "Q - Q" в положение Q; 2. Порядок измерения параметров катушек индуктивности

2.1. Подключить катушку индуктивности к клеммам Lx измерителя.

2.2. Произвести калибровку измерителя добротности : - нажать кнопку "КАЛИБРОВКА "Q ";

- установить ручкой "КАЛИБРОВКА "Q " стрелку измерительного прибора под знаком

;

- отпустить кнопку "КАЛИБРОВКА "Q ".

2.3. Переключатель "ПРЕДЕЛЫ Q" установить в оптимальное положение.

- настроить контур в резонанс. Точная настройка производится ручкой "ЕМКОСТЬ пф".

32

33

- отсчитать значения добротности Q катушки и емкости С измерительного конденсатора по соответствующим шкалам прибора.

2.4. Повторить для других частот. Для упорядочения измерений и расчетов рекомендуется использовать таблицу:

f, МГц Q C, пФ Со,пФ L, мкГ R, Ом

где С - емкость измерительного конденсатора, R - сопротивление потерь. Указанные в заголовке таблицы размерности величин должны применяться также в последующих формулах.

2.5. Рассчитать значение собственной емкости катушки по формуле:

	C0 =			f 2C	2	− f		2C
				2			1		1	,
				f12		− f22
	где f1 , f2 - значения частот из таблицы,			C1 ,C2			- соответствующие им значения емкости
	измерительного конденсатора.
	2.6. Рассчитать значения индуктивности			катушки на использованных частотах, применяя
	формулу:		25,33
	L =								103 ,
		f	2 (C +C0 )

2.6. Рассчитать сопротивление потерь на всех частотах:

R = 2πQfL

Приложение 2

Индуктивность L в цепи переменного тока действует аналогично сопротивлению, включенному в цепь, т. е. уменьшает силу переменного тока. Индуктивное сопротивление определяется по формуле

rL =ωL .

Это сопротивление обусловлено возникающей в катушке э.д.с. самоиндукции. Переменный ток в приборе, обладающем только индуктивным сопротивлением, отстает на 90° по фазе от напряжения, которое приложено к прибору.

Емкость в цепи переменного тока пропускает ток (в отличие от постоянного тока!). Сопротивление, которое оказывает емкость переменному току, называют емкостным.

Емкостное сопротивление

rC = ω1 . C

Ток в конденсаторе опережает напряжение на 90°.

33

34

При последовательном соединении активного сопротивления, индуктивности, емкости и источника переменного напряжения (рис. 65, а) полное сопротивление (импеданс) контура

Z = r 2 + (rL −rC )2 .

Цепь, состоящая из индуктивности, емкости и сопротивления, которые соединены

последовательно с источником переменного напряжения, как показано на рис. 65, а, называется последовательным резонансным контуром.

В последовательном резонансном контуре амплитуда силы тока

I =	U	0	=	I p	;
	Z			1+Q2 (ω /ω0 −ω0 /ω)2

разность фаз между током и внешним напряжением определяется из соотношения

tgϕ = (rL −rC ) / r или cosϕ = r / Z ,

где (Q и ω0 — добротность и резонансная частота контура, lр — амплитуда силы тока при резонансе (см. ниже), U0 и ω — амплитуда и частота внешнего напряжения.

Если в последовательном резонансном контуре rL = rC , то ϕ = 0 , импеданс 2 имеет

наименьшее значение, равное r, а амплитуда силы тока достигает максимального значения lр (при постоянном значении амплитуды внешнего напряжения Uо). Это явление называется последовательным электрическим резонансом (или резонансом напряжений).

Рис. 65. последовательный (а) и параллельный(б)резонансные контуры.

При резонансе напряжений амплитуды напряжений на индуктивности и конденсаторе равны, но мгновенные значения этих напряжений ( uL и uC ) противоположны по фазам.

Величина, равная отношению амплитуды напряжения Uс на конденсаторе при резонансе к амплитуде U0 внешнего переменного напряжения, называется добротностью

Q контура. При условии, чтоQ =ω0 L / r =1/(ω0Cr) ; ω0 - резонансная частота, определяемая условием rL = rC .

При резонансе (если Q>1) амплитуды напряжений на конденсаторе и индуктивности значительно больше амплитуды внешнего напряжения, потому что

U L =UC = QU0 .

Емкость С, индуктивность L и активное сопротивление r можно подключить параллельно к источнику переменного напряжения (рис. 65, б). Включенный таким образом контур LCr называется параллельным резонансным контуром. Полное сопротивление параллельного резонансного контура, показанного на рис.65, б, определяется из соотношения

34

															35
	1		1				1				1			2
	Z 2	= r 2							− r						,
				+ r
								L			C
а разность фаз между напряжением и и током I в общей цепи — из соотношения
					1					1
								− r
	tgϕ = r r												.
					L					C

Разность фаз φ=0, если rL = rC , это явление называется параллельным

электрическим резонансом (или резонансом токов). При параллельном резонансе полное сопротивление Z имеет максимальное значение ZM , амплитуда силы тока I в общей цепи

имеет наименьшее значение I p , амплитуды сил токов IC		и I L в конденсаторе и индук-
тивности равны, но мгновенные значения токов iC и		iL	противоположны по фазе.
Добротность параллельного резонансного контура Q = IC / I p'			= I L / I p' ; если Q>1, то при
резонансе амплитуды сил токов в ветвях L и С больше			амплитуды полного тока
I p' .Зависимость отношения I p' / I	от ω/ω0 в идеальном параллельном контуре (рис. 65, 6)
такая же, как и зависимость I / I p	в последовательном резонансном контуре (см. рис. 72);

ω0 - резонансная частота, определяемая из условия rL = rC .

При точных расчетах параллельного контура необходимо учитывать в цепях L и С активные сопротивления. Зависимость отношения Z / ZM от ω/ω0 при наличии активных

потерь в индуктивности и емкости приводится па графиках рис. 71.

В проводнике, по которому проходит переменный ток, наводятся индукционные токи, вследствие чего плотность тока у поверхности проводника становится больше, чем в середине; изменение плотности тока увеличивается с увеличением частоты. На высоких частотах плотность тока вблизи оси проводника может быть практически равна нулю. Это явление называется поверхностным эффектом, (или скин-эффектом).

35

36

ЛАБОРАТОРНАЯ PAБOTA № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЛАБОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЛЕ

Цель работы. Изучить классификацию, конструктивно-технологические и функциональные особенности слаботочных электрических реле. Экспериментально исследовать функциональные параметры электромагнитных и герконовых реле.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Устройство, классификация и функциональные особенности реле

Упрощённо конструкцию реле можно представить состоящей из воспринимающей, передающей и исполнительной систем, устройство и принцип действия которых определяют функциональные особенности, области применения и классификацию реле по различным признакам.

Принцип действия реле рассмотрим на примере электромагнитного реле. Электрический сигнал управления подаётся на обмотку с электромагнитным сердечником (воспринимающую систему) и преобразуется в энергию магнитного поля, которое притягивает подвижный якорь к сердечнику магнитопровода, создавая тем самым механическую силу. Эта сила посредством системы рычагов, поводков и толкателей (передающая система) передается на контактный блок (исполнительная система) и используется для управления контактами.

По принципу действия воспринимающих систем различают следующие виды реле: электромагнитные, магнитоуправляемые (герконовые), магнитогидродинамичсекие, электростатические, электромагнитострикционные, электротепловые, электронные, оптоэлектронные, магнитные, криотронные. По принципу действия исполнительных систем реле делятся на контактные и бесконтактные. По устройству передающих систем реле обычно не классифицируются.

Независимо от устройства и принципа действия общим для всех реле является вид функциональной связи между выходным сигналом Y и входным X. Она может быть представлена следующим образом:

Ymin(max) при 0 ≤ X ≤ Xср
Y= Ymax(min) при Xср ≤X ≤ Xдоп	(1)
Ymin(max) при Xотп ≥ X≥ 0	,

где Хср и Xотп - значения сигнала управления, соответствующие скачкообразным изменениям параметра Y, т.е. срабатыванию и отпусканию реле; Хдоп - допустимое

значение сигнала; Ymax(min) - максимальное (минимальное) значение выходного сигнала. Характеристики, описываемые приведенными соотношениями, получили название

релейных. Основные разновидности их, реализуемые в конкретных конструкциях реле, показаны на рис.1.1.

Слаботочные реле относятся к элементам широкого функционального назначения. Они используются для усиления и преобразования электрических сигналов, запоминания информации и программирования, распределения электрической энергии и управления работой отдельных элементов, устройств, блоков и аппаратуры в целом, функционального и энергетического сопряжения элементов и устройств РЭС, особенно работающих на различных энергетических уровнях или принципах действия, для сигнализации, контроля, зашиты и т.п. Все это определило большое разнообразие выпускаемых реле по конструктивному исполнению и функциональным особенностям.

По способу управления различают нейтральные, поляризованные и релепереключатели (импульсные реле). По роду коммутируемого тока реле делятся на

36

37

низкочастотные (постоянного тока) и высокочастотные. По функциональному назначению реле бывают коммутационные, времени и специальные.

Для управления нейтральными реле используются импульсы любой полярности. Полярность выходного сигнала зависит от электрической схемы исполнительной системы и способу ее подключения к источнику питания.

Управление поляризованными реле осуществляется импульсами строго определенной полярности. В сочетании с электрической схемой подключения исполнительной системы к источнику питания реле определяют такие полярность импульсов на выходе.

Реле-переключатели - это разновидность нейтральных или поляризованных реле. Они имеют один или два входа. После подачи на вход кратковременного импульса управления исполнительная система переключается и находится в фиксированном состоянии до поступления следующего импульса. Фиксирование осуществляется с помощью специального устройства - механической, магнитной или электромагнитной блокировки (защелки). С приходом следующего импульса исполнительная система переходит в другое фиксированное состояние и т.д.

Коммутационные возможности по роду и частоте коммутируемого тока зависят от принципа действия, электроизоляционных и ряда других свойств исполнительной системы, таких как индуктивность выводов, емкость между коммутируемыми цепями, коэффициент стоячей волны и т.п.

Рис. 1.1. Релейные характеристики реле различного исполнения:

а) - нейтральное реле; б) - реле, имеющее два устойчивых состояния; в) - однопозиционное реле с механическим самовозвратом; г) - трехпозиционное реле с нейтральным положением якоря в исходном состоянии

Низкочастотные реле (частота коммутируемого тока до 10 кГц) и реле постоянного тока обычно относятся к одной группе. Однако существуют реле, которые могут коммутировать цепи только постоянного или переменного тока.

К коммутационным отнесены быстродействующие реле, обеспечивающие большое число коммутаций - 10000 и более.

37

38

Реле времени предназначены для выдержки (задержки) времени срабатывания исполнительной системы по отношению ко времени поступления и (или) прекращения действия сигнала на входе реле. Значение и точность выдержки времени зависят от принципа действия воспринимающей и передающей систем и других факторов, учитываемых при реализации и эксплуатации реле.

В группу специальных относят реле, имеющие повышенные показатели по определенным параметрам: сопротивлению изоляции, коэффициенту возврата, коммутируемому напряжению и т.п. К ним такие относят реле, предназначенные для выполнения узкоцелевых задач, например, реагирования на заданный ток или напряжение (разового действия, индикаторные и т.д.).

1.2. Функциональные параметры реле

Чувствительность реле характеризуется минимальной входной мощностью (Хср), при которой происходит скачкообразное изменение выходного параметра - срабатывание реле.

Коэффициент возврата Кв определяется как отношение наибольшей мощности на входе, при которой реле возвращается в исходное положение (Хотп), к мощности

срабатывания (Хср).

Время срабатывания tср - это время, отсчитываемое с момента подачи сигнала на вход до появления сигнала на выходе реле.

Время возврата (отпускания) tотп - это время, отсчитываемое с момента прекращения действия сигнала на входе для реле типа "повторитель" и подачи нового импульса для реле типа "триггер" до исчезновения сигнала на выходе реле.

Стабильность сопротивления контактного перехода характеризует качество исполнительной системы реле. Она определяет паразитные потери и параметры формируемого сигнала (фронт и амплитуду выходного импульса, уровень помех и искажения).

Сопротивление изоляции характеризует степень электрической развязки между воспринимающей и исполнительной системами, а также коммутируемых цепей между собой и источником питания.

Коммутируемая мощность Рком - это диапазон мощностей коммутируемых цепей, при которых гарантируется заданное число переключений. В большинстве случаев ограничивается диапазон допустимых коммутируемых токов и напряжений.

Износостойкость реле измеряется числом переключений и колеблется в широких пределах в зависимости от коммутируемой мощности, устройства исполнительной системы и параметров коммутируемой цепи.

Срок службы - это продолжительность работы реле в режимах и условиях, допускаемых ТУ на них. Износостойкость и срок службы определяют ресурсные возможности реле.

В ТУ на отдельные виды реле могут быть указаны и другие параметры, например, род тока, индуктивность и емкость контактных выводов, сопротивление обмотки и т. д.

1.3. Электромагнитные реле

Электромагнитные реле нашли широкое применение в различных областях техники и составляют около 86% всех выпускаемых реле.

Выпускаемые реле различаются по массе, чувствительности, способу управления, роду коммутируемого тока, коммутируемой мощности и степени защиты от воздействия окружающей среды.

38

39

Наибольшей чувствительностью (0,007-5 мВт) обладают поляризованные реле. Они предназначены в основном для усиления электрических сигналов в схемах автоматики, измерительных цепях и линиях электросвязи, логических устройствах. Допускают большое число переключений (до 107) и имеют до пяти входов при большом диапазоне входных сопротивлений (от единиц Ом до нескольких кОм). Однако исполнительная система имеет, как правило, одну группу контактов на переключение, коммутируемая мощность не превышает 15 Вт и они не выпускаются в микроминиатюрном и миниатюрном исполнениях.

Нейтральные реле более универсальны. Они обладают широким диапазоном по чувствительности (10-250 мВт), коммутируемым токам и напряжениям. Используются для управления исполнительными устройствами в системах автоматики, сигнализации, контроля и защиты, в программных, кодирующих и запоминающих устройствах, для коммутаций цепей постоянного и переменного тока частотой до 100 МГц. Допустимое число переключений достигает 106, быстродействие в пределах 3-10 мс, возможен дребезг контактов при замыкании.

Реле-переключатели представляют собой модификацию поляризованных или нейтральных реле. Управление кратковременным импульсом существенно снижает потребление энергии и обеспечивает более благоприятные условия работы обмоток, так как практически отсутствует перегрев. В результате повышается надежность работы реле.

1.3.1. Устройство отдельных систем реле

Магнитная система. В простейшем случае магнитная система состоит из обмотки, размещенной на магнитопроводе, и выполняет роль воспринимающей системы. Предназначена для преобразования поступающей на вход реле электрической энергии в механическую. Основные разновидности используемых магнитных систем показаны на рис. 1.2.

Системы показанные на рис. 1.2 а,б используются в поляризованных реле и переключателях. Для них характерно то, что при нахождении якоря в среднем положении магнитный поток, постоянного магнита Φ0 равномерно распределяется по обоим плечам магнитопровода, а создаваемые силы притяжения якоря равны между собой. При пропускании постоянного тока по обмотке возникает магнитный поток Φм, который в одном плече магнитопровода суммируется о потоком постоянного магнита, в другом - вычитается. При этом якорь притягивается к полюсу, по которому проходит суммарный поток. При отсутствии сигнала на входе якорь переключателя фиксируется у одного из полюсов потоком постоянного магнита вследствие резкого увеличения его в том плече магнитопровода, к полюсу которого приблизился якорь. В этом и заключается суть магнитной блокировки или защелки. Переключение якоря в другое устойчивое состояние осуществляется подачей импульса необходимой полярности либо в обмотку второго плеча магнитопровода либо в обмотку первого, к полюсу которого он притянут.

Магнитная система переключателей с механической фиксацией положения якоря (рис. 1.2,г) представляет собой спаренную магнитную систему клапанного типа (рис.1.2,в). При этом якоря кинематически взаимосвязаны таким образом, что после притяжения одного якоря к полюсу соответствующей магнитной системы положение его фиксируется с помощью механической защелки, соединенной со вторым якорем, который в этом случае находится в непритянутом состоянии. При подаче импульса на обмотку второй магнитной системы ее якорь притягивается и освобождает якорь первой системы, который под действием пружин возвращается в исходное положение и фиксирует второй якорь. Применение механической защелки позволило создать реле-переключатели, работа которых не зависит от полярности управляющего сигнала.

39

40

Всовременных, нейтральных реле преобладают магнитные системы с поворотным якорем (рис 1.2,д). Использование поворотного якоря позволяет повысить устойчивость магнитных систем к внешним механическим воздействиям, уменьшить габариты и потоки рассеивания, а также повысить чувствительность магнитных систем реле по сравнению с системами клапанного типа.

Дальнейшим развитием магнитных систем с поворотным якорем можно считать системы с внутрикатушечным якорем (рис. 1.2,е).

Обычно обмотки наматываются на каркасы, изготавливаемые из пресс-порошков марок К-144, К-218, К-317, В-4-70, АТ-48, КФ-9, КФ-10, П-68-Т-20, поликарбоната,

фторопласта и др. Кроме того, находят широкое применение составные каркасы на основе изоляционных лент, а также бескаркасные катушки.

Вкачестве обмоточного провода чаще всего используются провода марок ПЭЛ, ПЭВ, ПЭТВ-Р, ПЭТР-155. В последние годы появились обмоточные провода с полиамидной изоляцией.

Внешняя поверхность обмотки обертывается лакотканью, стеклотканью, полиэтиленовой или фторопластовой пленкой. Это закрепляет поверхностные витки, защищает обмотку от внешних воздействий. Для повышения влагоустойчивости обмотки пропитываются лаками или покрываются эпоксидными смолами.

Для изготовления магнитопроводов реле применяются магнитомягкие, низкоуглеродистые и углеродистые стали, а также пермаллой и кремнистые легированные стали. Постоянные магниты изготавливаются из сплавов ЮНДК15, ЮН14ДК24, ЮНДК35Т5БА.

Передающая система. Передающая система электромагнитных реле - это механическое устройство, осуществляющее передачу механической силы движения якоря контактам реле. Они подразделяются на рычажковые, траверсные и комбинированые. На рис. 1.3,а показан вариант рычажковой системы. Она состоит из длинного рычага, идущего от якоря, с поводками на конце.

Траверсные системы (рис. 1.3,6) обычно используются в реле с магнитными системами соленоидного и клапанного типа. Особенностью таких систем является размещение всех подвижных контактов на одном поводке-траверсе. В комплексе она представляет робой контактный блок, перемещаемый с помощью рычага или поводка, идущего от якоря.

Вреле с поворотным якорем устройство передающих систем сводится к коротким упорам со стеклянными изолирующими шариками, привариваемыми к концу якоря (рис. 1.3,в). Шарики вместе с упором выполняют роль толкателя.

Передающая система реле должна обеспечивать четкое переключение контактов, сохранять заданную ей регулировку, иметь малое трение, большую износоустойчивость, а также быть мало инерционной.

Для изготовления изоляционных деталей подвижной системы чаще всего применяются стекло, пластмассы марок КФ, АТ-48, фторопласт, поликарбонат. Для возвратных пружин используются нейзильбер, фосфористая бронза и пружинная сталь.

Контактная система. В качестве исполнительной системы реле контактная система должна обеспечивать малое и стабильное значение сопротивления контактов, хорошую изоляцию токоведущих цепей, необходимое число коммутаций, высокую надежность контактирования.

Вреле используются преимущественно точечные и плоскостные контакты. По числу контактов на одной контактной пластине (пружине) контактные системы делятся на две группы: с одинарными и двойными контактами; по способу коммутации электрической цепи: с одним и двумя воздушными зазорами между контактами. В зависимости от положения в процессе коммутации контакты разделяются на подвижные и неподвижные. При обесточенной обмотке различают нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. В технической документации на реле нормально замкнутые

40