Инженеру-конструктору
Подборка литературы для радиолюбителя-конструктора
1. Конструирование схем
Конструирование схем.
1. Высокочастотные схемы.
Высокочастотные схемы .
- .
1. Широкополосные высокочастотные усилители.
Широкополосные высокочастотные усилители
В большинстве случаев радиолюбительского конструирования при проектировании высокочастотных устройств следует отдавать предпочтение монолитным интегральным схемам. Однако когда необходимо обеспечить высокую чувствительность и широкий динамический диапазон, могут оказаться полезны приведенные ниже схемы усилителей с реактивной ООС.
Усилитель на рис. 2.1-1 предназначен для применения во входных каскадах УВЧ и УПЧ. Он имеет широкий динамический диапазон и линейную АЧХ в широком диапазоне частот. При некотором изменении индуктивностей и емкостей усилитель применим в диапазоне от 1 до 300 МГц.
Схема на рис. 2.1-2 идентична схеме рис. 2.1-1 за исключением того, что в данном случае усилитель может непосредственно подключаться к симметричной нагрузке. Если требуется отличный от указанного на схеме выходной импеданс, то изменяют количество витков в обмотках (1-2) и (1'-2') высокочастотного трансформатора Тр1 (зависимость здесь квадратичная, например, при количестве витков в этих обмотках 5(1-2)+5(1'-2') получим выходной импеданс 50 Ом. а при 20(1-2)+20(1'-2') — 800 Ом).
Усилитель на рис. 2.1-3 предназначен для применения в каскадах, которые требуют высокого входного импеданса. Он также обеспечивает широкий динамический диапазон и линейную АЧХ. Входное сопротивление усилителя более 1 кОм. При необходимости уменьшить это значение, дроссель L1 заменяют резистором соответствующего номинала или изменяют его индуктивность так, чтобы реактивное сопротивление на рабочей частоте равнялось требуемому входному сопротивлению.
Во всех описываемых усилителях применяются широкополосные трансформаторы идентичной конструкции. Обратите внимание на то. что используемый ферритовый сердечник должен быть рассчитан на применение в рабочем диапазоне частот усилителя.
Количество витков в трансформаторах определяется как типом (размером и магнитной проницаемостью) сердечника, так и диапазоном частот, в котором предполагается применение усилителя.
Указанные соотношения справедливы и для трансформаторов, применяемых в приведенных ниже схемах смесителей. Расположение и плотность намотки подбирают для достижения наилучших параметров цепей.
На рис. 2.1-4, для примера, приведена схема универсального генератора с применением усилителя по схеме 2.1-3 Такой генератор может применяться в радиостанциях, в качестве гетеродина в приемных устройствах или для измерительных целей.
Рис. 2.1-1 Усилительный каскад для входных трактов высокочувствительных УВЧ и УПЧ
Рис. 2.1-2 Усилительный каскад с симметричным выходом
Рис. 2.1-3 Усилительный каскад с высоким входным сопротивлением
Рис. 2.1-4 Универсальный ВЧ генератор
Ф.1 Определение количества витков в трансформаторах
2. Смесители
Смесители
Смесители на рис. 2.1-5 и рис. 2.1-6 работают на частотах 1-300 МГц (формулы расчета индуктивностей см. выше). Обе схемы вносят затухание 5...6,5 дБ, обеспечивают широкую полосу пропускания и применимы в самых разнообразных конструкциях.
Рис. 2.1-5 Простой балансный и кольцевой балансный смеситель
2. Схемы усиления и обработки сигналов низкой и средней частоты.
Схемы усиления и обработки сигналов низкой и средней частоты.
1. Малошумящий предварительный усилитель с низким входным сопротивлением.
Малошумящий предварительный усилитель с низким входным сопротивлением
Усилитель на рис. 2.2-1 имеет входное сопротивление 5Ом, полученное благодаря применению ПОС и ООС в определенных соотношениях. Часть эммитерного сигнала транзистора VT2, поступающего на базу VT1, создает ООС, а коллекторный сигнал VT3 — ПОС. Благодаря низкому входному сопротивлению значительно улучшены шумовые характеристики усилителя. Спектральная плотность собственных шумов при разомкнутом входе составляет 2*10(-4) мкВ/Гц. Коэффициент усиления равен 40. Полоса пропускания определяется емкостью С1.
Рис. 2.2-1 Малошумящий предварительный усилитель с низким входным сопротивлением
2. Малошумящий предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением.
Малошумящий предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением
На входе усилителя на рис. 2.2-2 применен полевой транзистор в схеме с ОИ. Второй каскад выполнен на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ. В усилителе две петли ООС. С коллектора транзистора VT2 через цепочку R6, СЗ сигнал обратной связи подается в исток полевого транзистора, а с истока через конденсатор С2 и резистор R3 на затвор VT1. Наличие второй ООС позволяет увеличить входное сопротивление усилителя до десятков мегаом и снизить входную емкость.
Коэффициент усиления может быть установлен от 1 до 100, при этом изменяется также полоса пропускания. Для коэффициента усилиния равного 4 полоса пропускания лежит в пределах 100Гц-40 МГц. Входное сопротивление 30 МОм, максимальное выходное напряжение 1,5 В.
Рис. 2.2-2 Малошумящий предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением
3. Микрофонный усилитель.
Микрофонный усилитель
На рис. 2.2-3 приведена схема микрофонного усилителя, встраиваемого в держатель микрофона и питаемого через двужильный кабель. Схема работает с динамическими микрофонами и характеризуется хорошей помехозащищенностью. Выходной сигнал снимается с резистора R4. Смещение в базу транзистора VT1 и температурная стабилизация усилителя обеспечиваются делителем R2 и R3. Резистор R1 является нагрузкой первого каскада и осуществляет ООС во втором каскаде. Обратная связь снижает нелинейные искажения и обеспечивает выходное сопротивление 600 Ом. Полоса пропускания 16-12500 Гц. Коэффициент усиления 200.
Рис. 2.2-3 Принципиальная схема микрофонного усилителя
4. Микрофонный усилитель с коррекцией ,совмещенный со схемой подавления шумов для радиостанций и переговорных устройств.
Микрофонным усилитель с коррекцией, совмещенный со схемой подавления шумов для радиостанций и переговорных устройств
Схема на рис. 2.2-4 построена на основе микросхемы КР1401УД2, которая содержит в своем составе четыре идентичных ОУ. Первая часть схемы (элементы DA1.1. DA 1.2) выполняет
функцию микрофонного усилителя с последующей коррекцией АЧХ, динамическим изменением коэффициента усиления в зависимости от уровня сигнала и ограничением амплитуды выходного сигнала (что необходимо, например, для ограничения глубины модуляции в радиостанциях). Вторая часть схемы (DA1.3, DA1.4)
осуществляет подавление шумов в НЧ сигнале, что необходимо для предотвращения воспроизведения постоянного звукового фона в радиостанциях, переговорных устройствах и т.п.
Уровень срабатывания системы шумоподавления регулируется резистором R13, громкость выходного сигнала НЧ — резистором R 17. Подстроечники R3, R5 устанавливают в положение наилучшей слышимости полезного сигнала при наибольшем ослаблении шумов при отключенном ШП. Конденсатор С16 подбирают для обеспечения требуемой полосы пропускания микрофонного усилителя. Номинал резистора R24 зависит от конструкции звукоприемника и типа применяемого микрофона. Также можно сказать и про резистор R22, который регулирует коэффициент усиления каскада на ОУ DA1.2.
Рекомендуется применять данную схему в симплексных системах, так как в дуплексных будет трудно избежать перекрестных искажений и взаимовлияния между трактами.
Рис. 2.2-4 Схема микрофонного усилителя с коррекцией АЧХ и широким динамическим диапазоном, совмещенный со схемой подавления шум
5. Устройство подавления импульсных помех.
Устройство подавления импульсных помех
На рис. 2.2-5 приведена принципиальная схема симметричного ограничителя, осуществляющего ограничение кратковременных импульсных помех. Полоса пропускания до 100 кГц. При частоте полезного сигнала 3 кГц, уровень импульсной помехи, превышающем уровень сигнала в 300-500 раз и длительности помехи 20-30 мкс, схема снижает уровень помехи на 30-40 дБ.
Рис. 2.2-5 Схема устройства для подавления импульсных помех
6. Последовательный смеситель сигналов.
Последовательный смеситель сигналов
Смеситель на рис. 2.2-6 построен на двух полевых транзисторах. Первый транзистор является динамической нагрузкой второго. Гетеродинный сигнал, который подается на затвор VT2, модулируется преобразуемым сигналом, подводимым к затвору VT1. При небольших значениях входного сигнала выходной сигнал линейно зависит от входного. При входном сигнале более 1,2В появляются нелинейные искажения. Смеситель работает в звуковом диапазоне частот. На частотах свыше 500 кГц начинают сказываться межэлектродные емкости ПТ, которые уменьшают коэффициент передачи смесителя.
Рис. 2.2-6 Принципиальная схема последовательного смесителя сигналов
3. Элементы устройств автоматики.
Элементы устройств автоматики.
1. Усилитель для емкостных датчиков.
Усилитель для емкостных датчиков
На рис. 2.3-1 приведена схема предварительного усилителя для емкостных датчиков с низковольтным питанием. Потребляемый ток — 10 мА, входное сопротивление — 1 МОм, выходное сопротивление — 5 кОм. Напряжение отсечки VT1 должно быть меньше 1 В.
Кабельный усилитель для выносного датчика
Для передачи сигналов датчиков, удаленных от измерительных приборов, применяют усилители, выходной сигнал и напряжение питания в которых подаются по одному кабелю. На рис. 2.3-2 приведена схема со 100% ООС (Rвх=2*10^3 МОм, Свх=2,5 пФ). Коэффициент передачи в диапазоне частот от 10 Гц до 50 МГц лежит в пределах 0,9-0,92. Шумы усилителя в полосе частот 5 Гц -300 кГц составляют 10 мкВ при замкнутом входе. Для уменьшения внешних наводок на входные цепи необходима тщательная экранировка всего усилителя, особенно, входных цепей и датчика.
Лямбда-диод
Устройство на рис. 2.3-3 состоит из двух полевых транзисторов разной проводимости. При нулевом напряжении на затворе оба транзистора проводят. В схеме они включены в цепь ООС пос-
ледовательно по отношению один к другому. Протекающий через транзистор VT1 ток создает на VT2 падение напряжения, закрывающее VT1. В свою очередь, сопротивление VT2 меняется в зависимости от падения напряжения на VT1. Таким образом, с увеличением протекающего тока оба транзистора стремятся закрыться. Когда падение напряжения на транзисторах достигает уровня отсечки, протекающий ток будет близким к нулю. Для транзистора КП103И напряжение отсечки равно 4 В, для транзистора КП3О3Д напряжение отсечки равно 8 В.
Рис. 2.3-1 Усилитель для емкостных датчиков
Рис. 2.3-2 Кабельный усилитель для выносного датчика
Рис. 2.3-3 Лямбда-диод
2. Кабельный усилитель для выносного датчика.
Усилитель для емкостных датчиков
На рис. 2.3-1 приведена схема предварительного усилителя для емкостных датчиков с низковольтным питанием. Потребляемый ток — 10 мА, входное сопротивление — 1 МОм, выходное сопротивление — 5 кОм. Напряжение отсечки VT1 должно быть меньше 1 В.
Кабельный усилитель для выносного датчика
Для передачи сигналов датчиков, удаленных от измерительных приборов, применяют усилители, выходной сигнал и напряжение питания в которых подаются по одному кабелю. На рис. 2.3-2 приведена схема со 100% ООС (Rвх=2*10^3 МОм, Свх=2,5 пФ). Коэффициент передачи в диапазоне частот от 10 Гц до 50 МГц лежит в пределах 0,9-0,92. Шумы усилителя в полосе частот 5 Гц -300 кГц составляют 10 мкВ при замкнутом входе. Для уменьшения внешних наводок на входные цепи необходима тщательная экранировка всего усилителя, особенно, входных цепей и датчика.
Лямбда-диод
Устройство на рис. 2.3-3 состоит из двух полевых транзисторов разной проводимости. При нулевом напряжении на затворе оба транзистора проводят. В схеме они включены в цепь ООС пос-
ледовательно по отношению один к другому. Протекающий через транзистор VT1 ток создает на VT2 падение напряжения, закрывающее VT1. В свою очередь, сопротивление VT2 меняется в зависимости от падения напряжения на VT1. Таким образом, с увеличением протекающего тока оба транзистора стремятся закрыться. Когда падение напряжения на транзисторах достигает уровня отсечки, протекающий ток будет близким к нулю. Для транзистора КП103И напряжение отсечки равно 4 В, для транзистора КП3О3Д напряжение отсечки равно 8 В.
Рис. 2.3-1 Усилитель для емкостных датчиков
Рис. 2.3-2 Кабельный усилитель для выносного датчика
Рис. 2.3-3 Лямбда-диод
3. Лямбда-диод.
Усилитель для емкостных датчиков
На рис. 2.3-1 приведена схема предварительного усилителя для емкостных датчиков с низковольтным питанием. Потребляемый ток — 10 мА, входное сопротивление — 1 МОм, выходное сопротивление — 5 кОм. Напряжение отсечки VT1 должно быть меньше 1 В.
Кабельный усилитель для выносного датчика
Для передачи сигналов датчиков, удаленных от измерительных приборов, применяют усилители, выходной сигнал и напряжение питания в которых подаются по одному кабелю. На рис. 2.3-2 приведена схема со 100% ООС (Rвх=2*10^3 МОм, Свх=2,5 пФ). Коэффициент передачи в диапазоне частот от 10 Гц до 50 МГц лежит в пределах 0,9-0,92. Шумы усилителя в полосе частот 5 Гц -300 кГц составляют 10 мкВ при замкнутом входе. Для уменьшения внешних наводок на входные цепи необходима тщательная экранировка всего усилителя, особенно, входных цепей и датчика.
Лямбда-диод
Устройство на рис. 2.3-3 состоит из двух полевых транзисторов разной проводимости. При нулевом напряжении на затворе оба транзистора проводят. В схеме они включены в цепь ООС пос-
ледовательно по отношению один к другому. Протекающий через транзистор VT1 ток создает на VT2 падение напряжения, закрывающее VT1. В свою очередь, сопротивление VT2 меняется в зависимости от падения напряжения на VT1. Таким образом, с увеличением протекающего тока оба транзистора стремятся закрыться. Когда падение напряжения на транзисторах достигает уровня отсечки, протекающий ток будет близким к нулю. Для транзистора КП103И напряжение отсечки равно 4 В, для транзистора КП3О3Д напряжение отсечки равно 8 В.
Рис. 2.3-1 Усилитель для емкостных датчиков
Рис. 2.3-2 Кабельный усилитель для выносного датчика
Рис. 2.3-3 Лямбда-диод
4. Преобразователи напряжения и тока.
Преобразователи напряжения и тока.
1. Умножители напряжения.
Умножители напряжения
При разработке высоковольтных схем большое значение на простоту и качество работы устройства оказывает выбранная схема преобразования. Ниже приведено несколько схем умножителей напряжения для применения в самых разнообразных устройствах.
На рис. 2.4-1 представлены схемы удвоителей напряжения. Емкости во всех удвоителях выбирают одинаковыми. Рабочее напряжение конденсаторов должно с запасом перекрывать показанное на схемах. Соответствующим образом необходимо выбирать и диоды. Чем больше ток необходимый в нагрузке, тем большую емкость должны иметь конденсаторы. Естественно, что при повышении напряжения с помощью диодно-емкостных умножителей ток нагрузки пропорционально снижается.
Аналогичным образом, производится умножение в три и более раза.
Приводимые здесь схемы умножителей могут использоваться в преобразователях напряжение-напряжение. Для примера, приведена схема применения диодного умножителя на 2 (рис. 2.4-5).
Преобразователь (рис. 2.4-5) состоит из генератора, собранного на транзисторах VT1,VT2 и диодно-конденсаторного умножителя. Частота генератора определяется С 1 и резисторами Rl, R2. Выходной сигнал генератора проходит умножающую цепочку и заряжает конденсатор С5. Умножитель рассчитан на выходной ток до 10 мА. Для увеличения тока нагрузки необходимо поставить эмитгерный повторитель после генератора и увеличить емкости конденсаторов С2-С4.
Рис. 2.4-1 Схемы удвоителей напряжения
Рис. 2.4-2 Схемы умножения на три, шесть и восемь
Рис. 2.4-3 Схема умножения на четыре, преобразователь напряжения
2. Преобразователь "напряжение-ток ".
Преобразователь "напряжение-ток"
В схеме преобразователя на рис. 2.4-6 коллекторный ток транзистора VT4 определяется выражением: Ikvt4=Uвх/R1. Этот ток вызывает падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT1. Так как VT1 и VT2 — одного типа, то напряжение на VT2 будет аналогичным, и, соответственно, протекающий через VT2, VT3 ток будет совпадать с током в VT4. Максимальный выходной ток определяется допустимой мощностью рассеивания транзистора VT3. Для токов выше 5 мА нелинейность преобразования составляет не более 1%. В качестве DA1 можно использовать любой ОУ серий К544. К574, включенный по типовой схеме.
Преобразователь "ток-напряжение"
Преобразователь на рис. 2.4-7 построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R6. Схема обеспечивает Uвых = К*Iвх- Коэффициент преобразования схемы К = R6*(R3/R4). Для настройки ОУ при Iвх=0 служит резистор R2. Часть входного тока ответвляется в цепь R1, R2, R3. Резистор R6 — проволочный (нихром).
Пороговый ограничитель тока
Работа ограничителя выходного тока на рис. 2.4-8 основана на шунтировании базовой цепи ключевого транзистора. При входном напряжении, не превышающем пороговое напряжение стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрыт, к базе VT2 прилагается полное входное напряжение и выходной ток определяется резисто
ром R3. Как только входное напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD1, открывается транзистор VT1, уменьшается напряжение на базе VT2 и уменьшается выходной ток. Крутизну вольт-амперной характеристики ограничителя можно регулировать резисторами R2, R4 (с увеличением R2 крутизна увеличивается, с увеличением R4 крутизна уменьшается).
Рис. 2.4-6 Преобразователь "напряжение-ток"
Рис. 2.4-7 Преобразователь "ток-напряжение"
Рис. 2.4-8 Пороговый ограничитель тока
3. Преобразователь "ток-напряжение "
Преобразователь "напряжение-ток"
В схеме преобразователя на рис. 2.4-6 коллекторный ток транзистора VT4 определяется выражением: Ikvt4=Uвх/R1. Этот ток вызывает падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT1. Так как VT1 и VT2 — одного типа, то напряжение на VT2 будет аналогичным, и, соответственно, протекающий через VT2, VT3 ток будет совпадать с током в VT4. Максимальный выходной ток определяется допустимой мощностью рассеивания транзистора VT3. Для токов выше 5 мА нелинейность преобразования составляет не более 1%. В качестве DA1 можно использовать любой ОУ серий К544. К574, включенный по типовой схеме.
Преобразователь "ток-напряжение"
Преобразователь на рис. 2.4-7 построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R6. Схема обеспечивает Uвых = К*Iвх- Коэффициент преобразования схемы К = R6*(R3/R4). Для настройки ОУ при Iвх=0 служит резистор R2. Часть входного тока ответвляется в цепь R1, R2, R3. Резистор R6 — проволочный (нихром).
Пороговый ограничитель тока
Работа ограничителя выходного тока на рис. 2.4-8 основана на шунтировании базовой цепи ключевого транзистора. При входном напряжении, не превышающем пороговое напряжение стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрыт, к базе VT2 прилагается полное входное напряжение и выходной ток определяется резисто
ром R3. Как только входное напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD1, открывается транзистор VT1, уменьшается напряжение на базе VT2 и уменьшается выходной ток. Крутизну вольт-амперной характеристики ограничителя можно регулировать резисторами R2, R4 (с увеличением R2 крутизна увеличивается, с увеличением R4 крутизна уменьшается).
Рис. 2.4-6 Преобразователь "напряжение-ток"
Рис. 2.4-7 Преобразователь "ток-напряжение"
Рис. 2.4-8 Пороговый ограничитель тока
4. Пороговый ограничитель тока.
Преобразователь "напряжение-ток"
В схеме преобразователя на рис. 2.4-6 коллекторный ток транзистора VT4 определяется выражением: Ikvt4=Uвх/R1. Этот ток вызывает падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT1. Так как VT1 и VT2 — одного типа, то напряжение на VT2 будет аналогичным, и, соответственно, протекающий через VT2, VT3 ток будет совпадать с током в VT4. Максимальный выходной ток определяется допустимой мощностью рассеивания транзистора VT3. Для токов выше 5 мА нелинейность преобразования составляет не более 1%. В качестве DA1 можно использовать любой ОУ серий К544. К574, включенный по типовой схеме.
Преобразователь "ток-напряжение"
Преобразователь на рис. 2.4-7 построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R6. Схема обеспечивает Uвых = К*Iвх- Коэффициент преобразования схемы К = R6*(R3/R4). Для настройки ОУ при Iвх=0 служит резистор R2. Часть входного тока ответвляется в цепь R1, R2, R3. Резистор R6 — проволочный (нихром).
Пороговый ограничитель тока
Работа ограничителя выходного тока на рис. 2.4-8 основана на шунтировании базовой цепи ключевого транзистора. При входном напряжении, не превышающем пороговое напряжение стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрыт, к базе VT2 прилагается полное входное напряжение и выходной ток определяется резисто
ром R3. Как только входное напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD1, открывается транзистор VT1, уменьшается напряжение на базе VT2 и уменьшается выходной ток. Крутизну вольт-амперной характеристики ограничителя можно регулировать резисторами R2, R4 (с увеличением R2 крутизна увеличивается, с увеличением R4 крутизна уменьшается).
Рис. 2.4-6 Преобразователь "напряжение-ток"
Рис. 2.4-7 Преобразователь "ток-напряжение"
Рис. 2.4-8 Пороговый ограничитель тока
5. Устройство гальванической развязки -аналог переходного трансформатора для слаботочных сигналов.
Устройство гальванической развязки — аналог переходного трансформатора для слаботочных сигналов
На рис. 2.4-9 приведена схема устройства, которое может заменить переходной трансформатор. Его можно использовать в слаботочных системах управления, импульсных источниках питания в цепи обратной связи и т.п. Коэффициент трансформации схемы зависит от типа применяемой оптопары и ОУ.
Рис. 2.4-9 Схема гальванической развязки - аналог переходного трансформатора для слаботочных сигналов
2. Источники питания
В любом радиоэлектронном устройстве имеется источник вторичного электропитания. Он обычно занимает до 30% всего объема радиоаппаратуры, и от его качества и надежности во многом зависят параметры всего устройства. При создании новых устройств не всегда имеется возможность применять унифицированные блоки питания. Специализированный источник питания под конкретное устройство получается, как правило, проще и дешевле.
Схемы источников питания с использованием понижающего напряжения сетевого трансформатора на 50 Гц широко представлены в литературе, и по этой причине в данном разделе рассматриваются только импульсные преобразователи.
В последнее время из-за развития отечественной элементной базы все более широко применяются импульсные источники питания с бестрансформаторным входом. В них выполняется преобразование сетевой энергии во вторичную цепь на более высокой частоте. Частоты преобразования в пределах 20... 150 кГц позволяют получить малогабаритные сетевые блоки питания с отличными удельными массогабаритными показателями.
Приводимые в разделе схемы импульсных источников питания отличаются простотой изготовления, что делает их доступными для повторения в домашних условиях. Они могут применяться для питания различных устройств и схем автоматики, а также в переносных конструкциях, когда необходимо иметь малые габариты и вес источника.
1. Основные типы и критерии выбора источников питания для радиоэлектронной аппаратуры.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И КРИТЕРИИ ВЫБОРА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Первая проблема, с которой при конструировании любых устройств сталкиваются и начинающие и опытные радиолюбители — это проблема электропитания. В настоящей главе будут рассмотрены разнообразные сетевые источники питания (микромощные, средней мощности, мощные).
При выборе и разработке источника питания (далее ИП) необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, требованиями к безопасности и т.д.
В первую очередь, конечно, следует обратить внимание на соответствие электрических параметров ИП требованиям питаемого устройства, а именно:
• напряжение питания;
• потребляемый ток;
• требуемый уровень стабилизации напряжения питания;
• допустимый уровень пульсации напряжения питания. Немаловажны и характеристики ИП. влияющие на его эксплуатационные качества:
• наличие систем защиты;
• массогабаритные размеры.
Являясь неотъемлемой частью радиоэлектронной аппаратуры, средства вторичного электропитания должны жестко соответствовать определенным требованиям, которые определяются как требованиями к самой аппаратуре в целом, так и условиями предъявляемыми к источникам питания и их работе в составе данной аппаратуры. Любой из параметров ИП, выходящий за границы допустимых требований, вносит диссонанс в работу устройства. Поэтому, прежде чем начинать сборку ИП к предполагаемой конструкции, внимательно проанализируйте все имеющиеся варианты и выберите такой ИП, который будет максимально соответствовать всем требованиям и вашим возможностям.
Существует четыре основных типа сетевых источников питания:
• бестрансформаторные, с гасящим резистором или конденсатором.
• линейные, выполненные по классической схеме:
понижающий трансформатор - выпрямитель - фильтр
- стабилизатор.
• вторичные импульсные: понижающий трансформатор -фильтр - высокочастотный преобразователь 20-400 кГц.
• импульсный высоковольтный высокочастотный: фильтр
- выпрямитель ~220 В - импульсный высокочастотный
преобразователь 20-400кГц. Линейные источники питания отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радиоконструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет — применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:
• зарядные устройства для аккумуляторов;
• блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д.
Необходимо отметить, что некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА.
Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:
• колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;
• на входе стабилизатора приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие — высокое тепловыделение);
• большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом.
Достаточно просты в изготовлении и эксплуатации вторичные импульсные преобразователи напряжения, их отличает простота изготовления и дешевизна комплектующих. Экономически и технологически оправдано конструировать ИП по схеме вторичного импульсного преобразователя для устройств с током потребления 1-5 А, для бесперебойных ИП к системам видеонаблюдения и охраны, для усилителей низкой частоты, радиостанций, зарядных устройств.
Лучшая отличительная черта вторичных преобразователей перед линейными — массогабаритные характеристики выпрямителя, фильтра, преобразователя, стабилизатора. Однако их отличает большой уровень помех, поэтому при конструировании необходимо уделить внимание экранированию и подавлению высокочастотных составляющих в шине питания.
В последнее время получили достаточно широкое распространение импульсные ИП, построенные на основе высокочастотного преобразователя с бестрансформаторным входом. Эти устройства, питаясь от промышленной сети ~110В/220В, не содержат в своем составе громоздких низкочастотных силовых трансформаторов, а преобразование напряжения осуществляется высокочастотным преобразователем на частотах 20-400 кГц. Такие источники питания обладают на порядок лучшими массогаба-ритными показателями по сравнению с линейными, а их КПД может достигать 90% и более. ИП с импульсным высокочастотным преобразователем существенно улучшают многие характеристики устройств, питаемых от этих источников, и могут применяться практически в любых радиолюбительских конструкциях. Однако их отличает достаточно высокий уровень сложности, высокий уровень помех в шине питания, низкая надежность, высокая себестоимость, недоступность некоторых компонентов. Таким образом, необходимо иметь очень веские основания для применения импульсных ИП на основе высокочастотного преобразователя в любительской аппаратуре (в промышленных устройствах это в большинстве случаев оправдано). Такими основаниями могут служить: вероятность колебаний входного напряжения в пределах ~100-300 В. возможность создавать ИП с мощностью от десятков ватт до сотен киловатт на любые выходные напряжения, появление доступных высокотехнологичных решений на основе ИМС и других современных компонентов.
2. Микромощные сетевые источники питания.
Микромощные сетевые источники питания.
1. Источник питания с гальванической развязкой от сети на оптронах.
Источник питания с гальванической развязкой от сети на оптронах
Микромощные ИП с гальванической развязкой от сети ~220 В можно выполнить с применением оптронов, включив их последовательно для увеличения выходного напряжения (рис. 3.2-1.). Перенос энергии осуществляется посредством однонаправленного светового потока внутри оптрона (оптрон содержит светоизлучающий и поглощающий элементы), таким образом, гальванической связи с сетью не возникает.
На одной оптопаре выделяется 0,5-0,7 В для АОД101. АОД302 и 4 В—для АОТ102, АОТ110 (притоке 0,2 мА). Для обеспечения требуемых значений напряжения и тока оптопары включаются последовательно или параллельно. В качестве буферного накапливающего элемента можно использовать ионистор, аккумулятор или емкость на 100-1000 мкФ. Светодиоды запитываются через емкость не более 0.2 мкФ во избежание разрушения. Необходимо помнить, что эффективность оптронов падает со временем (приблизительно на 25% за 15000 часов работы).
Рис. 3.2-1 Схема микромощного источника питания с гальванической развязкой от сети на оптронах
2. Источники питания с раздельными конденсаторами.
Источники питания с разделительными конденсаторами
В микромощных источниках питания с гальванической связью с промышленной сетью обычно применяются т.н. разделительные конденсаторы, которые представляют собой не что иное, как шунтирующие сопротивления, включаемые последовательно в цепь питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, которое зависит от частоты и называется реактивным. Емкость разделительного конденсатора (при условии применения в промышленной- сети ~220 В, 50 Гц) можно рассчитать по следующей формуле:
Для примера: зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов 12В емкостью 1 А/ч может быть запитано от сети через разделительный конденсатор. Для никель-кадмиевых аккумуляторов зарядный ток составляет 10% от номинала, т.е. 100 мА в нашем случае. Далее, учитывая падение напряжения на стабилизаторе порядка 3-5 В, получаем, что на входе зарядного устройства необходимо обеспечить напряжение ~18 В при рабочем токе 100 мА. Подставляя эти данные, получаем:
по первой формуле:
Таким образом, выбираем С = 1,5 мкФ с удвоенным рабочим напряжением 500 В (могут применяться конденсаторы типов:
МБМ, МГБП, МБТ).
Полная схема зарядного устройства с разделительным конденсатором приведена на рис. 3.2-2. Устройство пригодно для зарядки аккумуляторов током не более 100 мА при напряжении заряда не более 15В. Подстроечным резистором R2 устанавливают необходимое значение напряжения заряда. R1 выполняет роль ограничителя тока в начале заряда, а выделяемое на нем напряжение подается на светодиод. По интенсивности свечения светодиода можно судить — насколько разряжена АКБ.
При эксплуатации этого источника питания (и любых других ИП без гальванической развязки с сетью) необходимо помнить о мерах безопасности. Устройство и заряжаемая батарея все время находятся под потенциалом промышленной сети. В некоторых случаях такие ограничения делают невозможной нормальную эксплу-атацию устройств, поэтому приходится обеспечивать гальваническую развязку ИП от сети.
Маломощный источник питания с разделительным конденсатором , но с гальванической развязкой от промышленной сети можно изготовить на основе переходного трансформатора или реле
магнитного пускателя, причем их рабочее напряжение может быть и ниже 220 В. На рис. 3.2-3 показана принципиальная схема такого источника питания.
Емкость разделительного конденсатора рассчитывается с учетом параметров трансформатора (т.е., зная коэффициент трансформации. сначала рассчитывают напряжение, которое необходимо обеспечить на входе трансформатора, а затем, убедившись в допустимости такого напряжения для применяемого трансформатора, рассчитывают параметры конденсатора).
Мощность, отдаваемая таким источником питания, вполне может питать квартирный звонок, приемник, аудиоплеер.
Рис. 3.2-2 Зарядное устройство с разделительным конденсатором
Рис. 3.2-3 Источник питания с разделительным конденсатором с гальванической развязкой от сети
Ф.2 Пример расчета
Ф.3 Пример расчета
Ф1. Расчет емкости разделительного конденсатора
3. Микромощный стабилизатор с малым потреблением.
Микромощный стабилизатор с малым потреблением
В некоторых радиолюбительских конструкциях требуются микромощные стабилизаторы, потребляющие в режиме стабилизации микроамперы. На рис. 3.2-4 приведена принципиальная схема такого стабилизатора с внутренним током потребления 10 мкА и током стабилизации 100 мА.
Для указанных на схеме элементов напряжение стабилизации составляет Uвых=3.4 В, для его изменения вместо светодиода HL1 можно включить последовательно диоды КД522 (на каждом падение напряжения составляет 0.7 В: на транзисторах
VT1, VT2 — 0,3 В). Входное напряжение данного стабилизатора (Uвх) не более 30 В. Должны применяться транзисторы с максимальным коэффициентом усиления.
Рис. 3.2-4 Схема микромощного стабилизатора с малым потреблением
3. Линейные источники питания.
1. Линейные источники питания.
ЛИНЕЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
В настоящее время традиционные линейные источники питания все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП.
Типичный линейный ИП содержит в своем составе: сетевой понижающий трансформатор, диодный мост с фильтром и стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора. Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности Ppac = Iнагр * (Uвх - Uвых) .Из формулы следует, что чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы. Рассмотрим несколько подробнее применяемые в линейных ИП стабилизаторы.
Простейшие (т.н. параметрические) стабилизаторы основаны на использовании особенностей вольт-амперных характеристик некоторых полупроводниковых приборов — в основном, стабилитронов. Их отличает высокое выходное сопротивление. невысокий уровень стабилизации и низкий КПД. Такие стабилизаторы применяются только при малых нагрузках, обычно — как элементы схем (например, в качестве источников опорного напряжения). Примеры параметрических стабилизаторов и формулы для расчета приведены на рис. 3.3-1.
Последовательные проходные линейные стабилизаторы отличаются следующими характеристиками: напряжение на нагрузке не зависит от входного напряжения и тока нагрузки, допускаются высокие значения тока нагрузки, обеспечивается высокий коэффициент стабилизации и малое выходное сопротивление. Структурная схема типового линейного стабилизатора представлена на рис. 3.3-2. Основной принцип на котором основана его работа — сравнение выходного напряжения с некоторым стабилизированным
опорным напряжением и управление на основе результатов этого сравнения главным силовым элементом стабилизатора (на структурной схеме—т.н. проходной транзистор VT1, работающий в линейном режиме, но это может быть и группа компонентов), на котором и рассеивается избыточная мощность (см. приведенную выше формулу).
В большинстве случаев радиолюбительского конструирования в качестве источников питания устройств могут применяться линейные ИП на основе микросхем линейных стабилизаторов серии К(КР)142. Они обладают очень хорошими параметрами, имеют встроенные цепи защиты от перегрузок, цепи термоком-пенсации и т.п., легко доступны и просты в применении (большинство стабилизаторов этой серии полностью реализованы внутри ИС, которые(имеют всего три вывода). Однако при конструировании линейных ИП большой мощности (25-100 Вт) требуется более тонкий подход, а именно: применение специальных трансформаторов с броневыми сердечниками (имеющих больший КДП), прямое использование только интегральных стабилизаторов невозможно ввиду недостаточности их мощности, т.е. нужны дополнительные силовые компоненты и, как следствие, дополнительные цепочки защиты от перегрузки, перегрева и перенапряжения. Такие ИП выделяют много тепла, предполагают установку многих компонентов на больших радиаторах и, соответственно, достаточно габаритны; для достижения высокого коэффициента стабилизации выходного напряжения требуются специальные схемные решения.
Рис. 3.3-1 Простейшие параметрические стабилизаторы
Рис. 3.3-2 Структурная схема типового линейного (последовательного проходного) стабилизатора
2. Стабилизатор с током нагрузки до 5А.
Стабилизатор с током нагрузки до 5А
На рис. 3.3-3 приведена базовая схема для построения мощных стабилизаторов, обеспечивающих ток нагрузки до 5 А. чего вполне достаточно для запитывания большинства радиолюбительских конструкции. Схема выполнена с применением микросхемы стабилизатора серии КР142 и внешнего проходного транзистора.
При малом токе потребления транзистор VT1 закрыт и работает только микросхема стабилизатора, но при увеличении потребляемого тока, напряжение, выделяемое на R2 и VD5, открывает транзистор VT1, и основная часть тока нагрузки начинает течь через его переход. Резистор R1 служит датчиком тока по перегрузке. Чем больше сопротивление R1, тем по меньшему току срабатывает защита (транзистор VT1 закрывается). Фильтрующий дроссель L 1 служит для подавления пульсации переменного тока при максимальной нагрузке.
По приведенной схеме можно собирать стабилизаторы на напряжение 5-15 В. Силовые диоды VD1-VD4 должны быть рассчитаны на ток не менее 10 А. Резистором R4 осуществляется точная подстройка выходного напряжения (базовое значение задается типом применяемой микросхемы стабилизатора серии КР142). Силовые элементы устанавливаются на радиаторы площадью не менее 200 см^2.
Для примера, приведем расчет стабилизатора напряжения со следующими характеристиками:
Uвых - 12 В;Iнаг - 3 A; Uвх - 20 В.
Выбираем стабилизатор напряжения 12 В в серии КР142 — КР142ЕН8Б. Выбираем проходной транзистор, способный рассеять максимальную мощность нагрузки Ррас = Uвх* Iнагр = 20 • 3 = 60 Вт (мощность транзистора желательно выбирать в 1.5-2 раза большей) — подходит распространенный КТ818А (Ррас = 100 Вт, Iк макс = 15 А). В качестве VD1-VD5 могут использоваться любые подходящие по току силовые диоды, например,КД202Д.
Рис. 3.3-3 Базовая схема линейного стабилизатора с током нагрузки до 5А
4. Импульсные источники питания.
1. Импульсные источники питания.
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП (см. рис. 3.4-1): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.
Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикла
дывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).
Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.
Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента — высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).
К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.
Рис. 3.4-1 Типовые структурные схемы импульсных источников питания
2. Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности.
Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности
На элементной базе, аналогичной применявшейся в описанном выше (рис. 3.3-3) линейном стабилизаторе, можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рис. 3.4-2. Стабилизатор собран по типовой схеме с понижением напряжения (рис. 3.4-1а).
При первом включении, когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка, ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжения на R1 отпирает ключевой транзистор VT1, который тут-же входит в режим насыщения, так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент — транзистор VT2. Ток. нарастающий в L1, заряжает С4, при этом через обратную связь на R8 происходит запи-
рание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия , запасенная в катушке, питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации, открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц.
Цепь R3. R4, С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах, от Ucт DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх, появляется некото рая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсации на выходе стабилизатора включен фильтр L2, С5.
Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1, VT2, VD1, DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение нс должно превышать 30 В. что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А.
Рис. 3.4-2 Схема эффективного импульсного стабилизатора на простой элементной базе
3. Устройство бесперебойного питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя.
Устройство бесперебойного питания на основе импульсного стабилизатора
На рис. 3.4-3 предлагается к рассмотрению устройство для бесперебойного питания систем охраны и видеонаблюдения на основе импульсного стабилизатора, совмещенного с зарядным устройством. В стабилизатор введены системы защиты от перегрузки, перегрева, бросков напряжения на выходе, короткого замыкания.
Стабилизатор имеет следующие параметры:
• Входное напряжение, Uвx — 20-30 В:
• Выходное стабилизированное напряжение, Uвыx-12B:
• Номинальный ток нагрузки, Iнагр ном —5А;
• Ток срабатывания системы защиты от перегрузки, Iзащ — 7А;.
• Напряжение срабатывания системы защиты от перенапряжения, Uвых защ — 13 В;
• Максимальный ток зарядки АКБ, Iзар акб макс — 0,7 А;
• Уровень пульсации. Uпульс — 100 мВ,
• Температура срабатывания системы защиты от перегрева, Тзащ — 120 С;
• Скорость переключения на питание от АКБ, tперекл — 10мс (реле РЭС-б РФО.452.112).
Принцип работы импульсного стабилизатора в описываемом устройстве такой же, как и у стабилизатора, представленного выше.
Устройство дополнено зарядным устройством, выполненным на элементах DA2,R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ИС стабилизатора напряжения DA2 с делителем тока на R7. R8 ограничивает максимальный начальный ток заряда, делитель R9, R10 задает выходное напряжение заряда, диод VD2 защищает АКБ от саморазряда при отсутствии напряжения питания.
Защита от перегрева использует в качестве датчика температуры терморезистор R16. При срабатывании защиты включается звуковой сигнализатор, собранный на ИС DD 1 и, одновременно, нагрузка отключается от стабилизатора, переходя на питание от АКБ. Терморезистор монтируют на радиаторе транзистора VT1. Точная подстройка уровня срабатывания температурной защиты осуществляется сопротивлением R18.
Датчик напряжения собран на делителе R13,R15. сопротивлением R15 устанавливают точный уровень срабатывания защиты от перенапряжения (13 В). При превышении напряжения на выходе стабилизатора (в случае выхода последнего из строя) реле S1 отключает нагрузку от стабилизатора и подключает ее к АКБ. В случае отключения питающего напряжения, реле S1 переходит в состояние "по умолчанию"- т.е. подключает нагрузку на АКБ.
Приведенная здесь схема не имеет электронной защиты от короткого замыкания для АКБ. эту роль выполняет плавкий предохранитель в цепи питания нагрузки, рассчитанный на максимальный потребляемый ток.
Рис. 3.4-3 Схема устройства бесперебойного питания 12В 5А с многофункциональной системой защиты
4. Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя.
Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя
Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети ~220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.
Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 34-4.
Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и
двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже — частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.
При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индук-
тивности). И. в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопро вода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя.
На рис. 3.4-5 приведена принципиальная схема классического ИП на основе высокочастотного преобразователя. Фильтр, состоящий из емкостей С1, С2, СЗ и дросселей L1, L2, служит для зашиты питающей сети от высокочастотных помех со стороны преобразователя. Генератор построен по автоколебательной схеме и совмещен с ключевым каскадом. Ключевые транзисторы VT1 и VT2 работают в противофазе, открываясь и закрываясь по очереди. Запуск генератора и надежную работу обеспечивает транзистор VT3, работающий в режиме лавинного пробоя. При нарастании напряжения на С6 через R3 транзистор открывается и конденсатор разряжается на базу VT2, запуская работу генератора. Напряжение обратной связи снимается с дополнительной (III) обмотки силового трансформатора Tpl.
Транзисторы VT1. VT2 устанавливают на пластинчатые радиаторы не менее 100 см^2. Диоды VD2-VD5 с барьером Шоттки ставятся на небольшой радиатор 5 см^2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 — на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН КЗ 1х18.5х7;
обмотка 1 — 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II — 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III — 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 — 10 витков:
обмотки II и III — по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0 , количество витков — 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841.
Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1.
Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий "уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п.
Еще одна схема ИП на основе высокочастотного импульсного преобразователя приведена на рис. 3.4-6. Основным отличием этой схемы от стандартной структуры, представленной на рис. 3 .4-4 является отсутствие цепи обратной связи. В связи с этим, стабильность напряжения на выходных обмотках ВЧ трансформатора Тр2 достаточно низкая и требуется применение вторичных стабилизаторов (в схеме используются универсальные интегральные стабилизаторы на ИС серии КР142).
Рис. 3.4-4 Структурная схема типового высокочастотного импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети
Рис. 3.4-5 Источник питания 35В на основе импульсного ВЧ преобразователя
Рис. 3.4-6 Сетевой импульсный источник питания на основе ВЧ преобразователя
5. Импульсный стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считыванием тока.
Импульсным стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считыванием тока.
Миниатюризации и повышению КПД при разработке и конструировании импульсных источников питания способствует применение нового класса полупроводниковых инверторов — МДП-транзисторов, а также: мощных диодов с быстрым обратным восстановлением, диодов Шоттки, сверхбыстродействующих диодов, полевых транзисторов с изолированным затвором, интегральных схем управления ключевыми элементами. Все эти элементы доступны на отечественном рынке и могут использоваться в конструировании высокоэффективных источников питания, преобразователей, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), систем запуска ламп дневного света (ЛДС). Большой интерес у разработчиков также может вызвать класс силовых приборов под названием HEXSense — МДП-транзисторы со считыванием тока. Они являются идеальными переключающими элементами для импульсных источников питания с готовым управлением. Возможность считывать ток ключевого транзистора может быть использована в импульсных ИП для обратной связи по току, требуемой для контроллера широтно-импульсной модуляции. Этим достигается упрощение конструкции источника питания — исключение из него токовых резисторов и трансформаторов.
На рис. 3.4-7 приведена схема импульсного источника питания мощностью 230 Вт. Его основные рабочие характеристики следующие:
• Входное напряжение:-110 В 60Гц:
• Выходное напряжение: 48 В постоянное:
• Ток нагрузки: 4.8 А:
• Частота переключения: 110 кГц:
• КПДпри полной нагрузке: 78%;
• КПД при нагрузке 1/3: 83%.
Схема построена на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с высокочастотным преобразователем на выходе. Принцип работы состоит в следующем.
Сигнал управления ключевым транзистором поступает с выхода 6 ШИМ контроллера DA1, коэффициент заполнения ограничивается 50% резистором R4, R4 и СЗ являются времязадающи ми элементами генератора. Питание DA1 обеспечивается цепочкой VD5, С5, С6, R6. Резистор R6 предназначен для подачи питающего напряжения во время запуска генератора, в последующем задей ствуется обратная связь по напряжению через LI, VD5. Эта обратная связь получается от дополнительной обмотки выходного дросселя, которая работает в режиме обратного хода. Помимо питания генератора, напряжение обратной связи через цепочку VD4, Cl, Rl, R2 подается на вход обратной связи по напряжению DA1 (выв.2). Через R3 и С2 обеспечивается компенсация, которая гарантирует стабильность петли обратной связи.
В качестве ключевого элемента VT2 используется МДП-транзистор со считыванием тока IRC830 фирмы International Rectifier. Сигнал считывания тока подается от VT2 на вывод 3 DA1. Уровень напряжения на выводе считывания тока задается резистором R7 и пропорционален току стока, С9 подавляет выбросы на переднем фронте импульса тока стока, которые могут вызвать преждевременное срабатывание контроллера. VT1 и R5 используются для задания необходимого закона управления. Обратите внимание, что ток считывания возвращается в кристалл на вывод истока. Это делается для того. чтобы избежать ошибки считывания тока, которая может возникнуть из-за падения напряжения на паразитном сопротивлении вывода истока.
На базе данной схемы возможно построение импульсных стабилизаторов и с другими выходными параметрами.
Рис. 3.4-7 Импульсный стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считываением тока
5. Источники питания ламп дневного света и других газоразрядных приборов.
Источники питания ламп дневного света и других газоразрядных приборов.
1. Современные газоразрядные приборы.
Современные газоразрядные приборы
Примерно 25% электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуется системами искусственного освещения, чтo делает эту область чрезвычайно привлекательной для приложения сил в области повышения эффективности использования и сокращения потребления электроэнергии.
В настоящее время наиболее распространенными экономичными источниками света являются газоразрядные лампы, которые все чаще применяются вместо обычных ламп накаливания. Принцип действия таких ламп заключается в люминесцентном свечении заключенного внутри лампы газа при протекании через него тока (осуществлении высоковольтного пробоя), что обеспечивается подачей высокого напряжения на электроды лампы. Газоразрядные лампы можно разделить на два вида, первый — это лампы высокой интенсивности свечения, среди которых наиболее распространены: ртутные лампы, натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы, второй вид — это люминесцентные лампы низкого давления.
Лампы низкого давления используются для освещения в большинстве случаев повседневной жизни — в административных зданиях, офисах, жилых домах: их отличает насыщенный белый свет. близкий к дневному (отсюда название — "лампы дневного света"). Лампы высокого давления используются для внешнего освещения — в уличных фонарях, прожекторах и т.п.
Если обычная лампа накаливания, когда она включена, представляет собой постоянную резистивную нагрузку, то все газоразрядные лампы имеют отрицательные импедансные характеристики. которые требуют стабилизации тока. Кроме того, необходимо учитывать такие моменты как: резонансный режим работы, защита при выходе лампы из строя; высоковольтное зажигание, специальное управление силовой шиной. Основной режим, соблюдение которого необходимо люминисцентной лампе на протяжении всего срока эксплуатации — это токовый режим (в идеале, необходима стабилизация мощности на протяжении всего периода эксплуата-
ции лампы). Как правило, лампы питаются от переменного напряжения для уравнивания износа электродов (в случае питания постоянным напряжением, срок службы короче на 50%).
Магнитный и электронный балласты
Для управления газоразрядными лампами традиционно использовался т.н. магнитный балласт (см. схему на рис. 3.5-1), однако ввиду его неэффективности и ненадежности, в последнее время
все большее распространение получают схемы электронного управления — электронный балласт, который позволяет значительно повысить КПД и срок службы осветительных систем, сделать свет более ровным и естественным для глаз.
Базовая схема электронного балласта с последовательным резонансом приведена на рис. 3.5-2. Применяя электронные бал-ласты, можно управлять лампами любой мощности, в схему можно встраивать любые дополнительные устройства (например, фотореле, включающее освещение в сумерках и выключающее на рассвете).
Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40Вт
Для управления лампой дневного света (ЛДС) мощностью до 40 Вт предназначена схема, приведенная на рис. 3.5-3.
Напряжение питания ~220 В подается на входы L1 и L2. Выпрямленное диодами VD1 -VD4 постоянное напряжение составляет порядка 320 В. Конденсаторы С1 и С2 работают как емкостный входной фильтр. Возможно использование и сети ~110В, в этом случае питание подается на входы L1 (L2) и N. а диоды VD1. VD3 (VD2, VD4) с конденсаторами С1 и С2 работают как однопо лупериодный удвоитель напряжения.
DA1 (IR2151) — это схема управления МДП-транзистора ми с внутренним генератором, который работает прямо от шины питания через R1. Внутренний стабилизатор фиксирует напряжение питания на уровне 15 В. Предусмотрена блокировка затворов при падении напряжения питания ниже 9 В.
При номинальном постоянном напряжении шины питания 230 В выходной прямоугольный импульс имеет эффективное напряжение 160 В, а частота устанавливается подбором R2 и С4 для приближения к резонансной частоте лампы. Лампа работает в своей последовательной резонансной схеме, состоящей из последовательно включенной катушки индуктивности L1 и шунтирующего конденсатора С6, который стоит параллельно термистору с положительным температурным коэффициентом.
Термистор (для этих целей может также использоваться неоновая лампочка) имеет малое сопротивление в холодном состоянии и очень высокое в горячем, когда нагревается благодаря протекающему через него току. Назначение термистора — обеспечить плавное нарастание напряжения на электродах лампы при включении. В случаях, когда лампа горит постоянно или очень редко
включается/выключается, термистор можно убрать. В этом случае лампа включается мгновенно, что может привести к ее быстрому износу.
Сверхминиатюрная схема управления для лампы дневного света мощностью до 26Вт
Следующая принципиальная схема, приведенная на рис. 3.5-4, позволяет управлять лампой дневного света (ЛДС), имея при этом сверхминиатюрные размеры, так как в ней не применяются силовые инверторы (ИС IR51H420 объединяет в одном корпусе ИС IR2151 и МДП-ключи). Максимальная мощность лампы в этом случае не должна превышать 26 Вт, чего вполне достаточно для освещения одного рабочего места.
Рис. 3.5-1 Базовая схема электронного последовательного балласта
Рис. 3.5-3 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40 Вт
Рис. 3.5-4 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 26 Вт
2. Магнитный и электронный балласты.
Современные газоразрядные приборы
Примерно 25% электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуется системами искусственного освещения, чтo делает эту область чрезвычайно привлекательной для приложения сил в области повышения эффективности использования и сокращения потребления электроэнергии.
В настоящее время наиболее распространенными экономичными источниками света являются газоразрядные лампы, которые все чаще применяются вместо обычных ламп накаливания. Принцип действия таких ламп заключается в люминесцентном свечении заключенного внутри лампы газа при протекании через него тока (осуществлении высоковольтного пробоя), что обеспечивается подачей высокого напряжения на электроды лампы. Газоразрядные лампы можно разделить на два вида, первый — это лампы высокой интенсивности свечения, среди которых наиболее распространены: ртутные лампы, натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы, второй вид — это люминесцентные лампы низкого давления.
Лампы низкого давления используются для освещения в большинстве случаев повседневной жизни — в административных зданиях, офисах, жилых домах: их отличает насыщенный белый свет. близкий к дневному (отсюда название — "лампы дневного света"). Лампы высокого давления используются для внешнего освещения — в уличных фонарях, прожекторах и т.п.
Если обычная лампа накаливания, когда она включена, представляет собой постоянную резистивную нагрузку, то все газоразрядные лампы имеют отрицательные импедансные характеристики. которые требуют стабилизации тока. Кроме того, необходимо учитывать такие моменты как: резонансный режим работы, защита при выходе лампы из строя; высоковольтное зажигание, специальное управление силовой шиной. Основной режим, соблюдение которого необходимо люминисцентной лампе на протяжении всего срока эксплуатации — это токовый режим (в идеале, необходима стабилизация мощности на протяжении всего периода эксплуата-
ции лампы). Как правило, лампы питаются от переменного напряжения для уравнивания износа электродов (в случае питания постоянным напряжением, срок службы короче на 50%).
Магнитный и электронный балласты
Для управления газоразрядными лампами традиционно использовался т.н. магнитный балласт (см. схему на рис. 3.5-1), однако ввиду его неэффективности и ненадежности, в последнее время
все большее распространение получают схемы электронного управления — электронный балласт, который позволяет значительно повысить КПД и срок службы осветительных систем, сделать свет более ровным и естественным для глаз.
Базовая схема электронного балласта с последовательным резонансом приведена на рис. 3.5-2. Применяя электронные бал-ласты, можно управлять лампами любой мощности, в схему можно встраивать любые дополнительные устройства (например, фотореле, включающее освещение в сумерках и выключающее на рассвете).
Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40Вт
Для управления лампой дневного света (ЛДС) мощностью до 40 Вт предназначена схема, приведенная на рис. 3.5-3.
Напряжение питания ~220 В подается на входы L1 и L2. Выпрямленное диодами VD1 -VD4 постоянное напряжение составляет порядка 320 В. Конденсаторы С1 и С2 работают как емкостный входной фильтр. Возможно использование и сети ~110В, в этом случае питание подается на входы L1 (L2) и N. а диоды VD1. VD3 (VD2, VD4) с конденсаторами С1 и С2 работают как однопо лупериодный удвоитель напряжения.
DA1 (IR2151) — это схема управления МДП-транзистора ми с внутренним генератором, который работает прямо от шины питания через R1. Внутренний стабилизатор фиксирует напряжение питания на уровне 15 В. Предусмотрена блокировка затворов при падении напряжения питания ниже 9 В.
При номинальном постоянном напряжении шины питания 230 В выходной прямоугольный импульс имеет эффективное напряжение 160 В, а частота устанавливается подбором R2 и С4 для приближения к резонансной частоте лампы. Лампа работает в своей последовательной резонансной схеме, состоящей из последовательно включенной катушки индуктивности L1 и шунтирующего конденсатора С6, который стоит параллельно термистору с положительным температурным коэффициентом.
Термистор (для этих целей может также использоваться неоновая лампочка) имеет малое сопротивление в холодном состоянии и очень высокое в горячем, когда нагревается благодаря протекающему через него току. Назначение термистора — обеспечить плавное нарастание напряжения на электродах лампы при включении. В случаях, когда лампа горит постоянно или очень редко
включается/выключается, термистор можно убрать. В этом случае лампа включается мгновенно, что может привести к ее быстрому износу.
Сверхминиатюрная схема управления для лампы дневного света мощностью до 26Вт
Следующая принципиальная схема, приведенная на рис. 3.5-4, позволяет управлять лампой дневного света (ЛДС), имея при этом сверхминиатюрные размеры, так как в ней не применяются силовые инверторы (ИС IR51H420 объединяет в одном корпусе ИС IR2151 и МДП-ключи). Максимальная мощность лампы в этом случае не должна превышать 26 Вт, чего вполне достаточно для освещения одного рабочего места.
Рис. 3.5-1 Базовая схема электронного последовательного балласта
Рис. 3.5-3 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40 Вт
Рис. 3.5-4 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 26 Вт
3. Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40 Вт.
Современные газоразрядные приборы
Примерно 25% электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуется системами искусственного освещения, чтo делает эту область чрезвычайно привлекательной для приложения сил в области повышения эффективности использования и сокращения потребления электроэнергии.
В настоящее время наиболее распространенными экономичными источниками света являются газоразрядные лампы, которые все чаще применяются вместо обычных ламп накаливания. Принцип действия таких ламп заключается в люминесцентном свечении заключенного внутри лампы газа при протекании через него тока (осуществлении высоковольтного пробоя), что обеспечивается подачей высокого напряжения на электроды лампы. Газоразрядные лампы можно разделить на два вида, первый — это лампы высокой интенсивности свечения, среди которых наиболее распространены: ртутные лампы, натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы, второй вид — это люминесцентные лампы низкого давления.
Лампы низкого давления используются для освещения в большинстве случаев повседневной жизни — в административных зданиях, офисах, жилых домах: их отличает насыщенный белый свет. близкий к дневному (отсюда название — "лампы дневного света"). Лампы высокого давления используются для внешнего освещения — в уличных фонарях, прожекторах и т.п.
Если обычная лампа накаливания, когда она включена, представляет собой постоянную резистивную нагрузку, то все газоразрядные лампы имеют отрицательные импедансные характеристики. которые требуют стабилизации тока. Кроме того, необходимо учитывать такие моменты как: резонансный режим работы, защита при выходе лампы из строя; высоковольтное зажигание, специальное управление силовой шиной. Основной режим, соблюдение которого необходимо люминисцентной лампе на протяжении всего срока эксплуатации — это токовый режим (в идеале, необходима стабилизация мощности на протяжении всего периода эксплуата-
ции лампы). Как правило, лампы питаются от переменного напряжения для уравнивания износа электродов (в случае питания постоянным напряжением, срок службы короче на 50%).
Магнитный и электронный балласты
Для управления газоразрядными лампами традиционно использовался т.н. магнитный балласт (см. схему на рис. 3.5-1), однако ввиду его неэффективности и ненадежности, в последнее время
все большее распространение получают схемы электронного управления — электронный балласт, который позволяет значительно повысить КПД и срок службы осветительных систем, сделать свет более ровным и естественным для глаз.
Базовая схема электронного балласта с последовательным резонансом приведена на рис. 3.5-2. Применяя электронные бал-ласты, можно управлять лампами любой мощности, в схему можно встраивать любые дополнительные устройства (например, фотореле, включающее освещение в сумерках и выключающее на рассвете).
Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40Вт
Для управления лампой дневного света (ЛДС) мощностью до 40 Вт предназначена схема, приведенная на рис. 3.5-3.
Напряжение питания ~220 В подается на входы L1 и L2. Выпрямленное диодами VD1 -VD4 постоянное напряжение составляет порядка 320 В. Конденсаторы С1 и С2 работают как емкостный входной фильтр. Возможно использование и сети ~110В, в этом случае питание подается на входы L1 (L2) и N. а диоды VD1. VD3 (VD2, VD4) с конденсаторами С1 и С2 работают как однопо лупериодный удвоитель напряжения.
DA1 (IR2151) — это схема управления МДП-транзистора ми с внутренним генератором, который работает прямо от шины питания через R1. Внутренний стабилизатор фиксирует напряжение питания на уровне 15 В. Предусмотрена блокировка затворов при падении напряжения питания ниже 9 В.
При номинальном постоянном напряжении шины питания 230 В выходной прямоугольный импульс имеет эффективное напряжение 160 В, а частота устанавливается подбором R2 и С4 для приближения к резонансной частоте лампы. Лампа работает в своей последовательной резонансной схеме, состоящей из последовательно включенной катушки индуктивности L1 и шунтирующего конденсатора С6, который стоит параллельно термистору с положительным температурным коэффициентом.
Термистор (для этих целей может также использоваться неоновая лампочка) имеет малое сопротивление в холодном состоянии и очень высокое в горячем, когда нагревается благодаря протекающему через него току. Назначение термистора — обеспечить плавное нарастание напряжения на электродах лампы при включении. В случаях, когда лампа горит постоянно или очень редко
включается/выключается, термистор можно убрать. В этом случае лампа включается мгновенно, что может привести к ее быстрому износу.
Сверхминиатюрная схема управления для лампы дневного света мощностью до 26Вт
Следующая принципиальная схема, приведенная на рис. 3.5-4, позволяет управлять лампой дневного света (ЛДС), имея при этом сверхминиатюрные размеры, так как в ней не применяются силовые инверторы (ИС IR51H420 объединяет в одном корпусе ИС IR2151 и МДП-ключи). Максимальная мощность лампы в этом случае не должна превышать 26 Вт, чего вполне достаточно для освещения одного рабочего места.
Рис. 3.5-1 Базовая схема электронного последовательного балласта
Рис. 3.5-3 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40 Вт
Рис. 3.5-4 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 26 Вт
4. Сверхминиатюрная схема управления для лампы дневного света мощностью до 26Вт.
Современные газоразрядные приборы
Примерно 25% электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуется системами искусственного освещения, чтo делает эту область чрезвычайно привлекательной для приложения сил в области повышения эффективности использования и сокращения потребления электроэнергии.
В настоящее время наиболее распространенными экономичными источниками света являются газоразрядные лампы, которые все чаще применяются вместо обычных ламп накаливания. Принцип действия таких ламп заключается в люминесцентном свечении заключенного внутри лампы газа при протекании через него тока (осуществлении высоковольтного пробоя), что обеспечивается подачей высокого напряжения на электроды лампы. Газоразрядные лампы можно разделить на два вида, первый — это лампы высокой интенсивности свечения, среди которых наиболее распространены: ртутные лампы, натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы, второй вид — это люминесцентные лампы низкого давления.
Лампы низкого давления используются для освещения в большинстве случаев повседневной жизни — в административных зданиях, офисах, жилых домах: их отличает насыщенный белый свет. близкий к дневному (отсюда название — "лампы дневного света"). Лампы высокого давления используются для внешнего освещения — в уличных фонарях, прожекторах и т.п.
Если обычная лампа накаливания, когда она включена, представляет собой постоянную резистивную нагрузку, то все газоразрядные лампы имеют отрицательные импедансные характеристики. которые требуют стабилизации тока. Кроме того, необходимо учитывать такие моменты как: резонансный режим работы, защита при выходе лампы из строя; высоковольтное зажигание, специальное управление силовой шиной. Основной режим, соблюдение которого необходимо люминисцентной лампе на протяжении всего срока эксплуатации — это токовый режим (в идеале, необходима стабилизация мощности на протяжении всего периода эксплуата-
ции лампы). Как правило, лампы питаются от переменного напряжения для уравнивания износа электродов (в случае питания постоянным напряжением, срок службы короче на 50%).
Магнитный и электронный балласты
Для управления газоразрядными лампами традиционно использовался т.н. магнитный балласт (см. схему на рис. 3.5-1), однако ввиду его неэффективности и ненадежности, в последнее время
все большее распространение получают схемы электронного управления — электронный балласт, который позволяет значительно повысить КПД и срок службы осветительных систем, сделать свет более ровным и естественным для глаз.
Базовая схема электронного балласта с последовательным резонансом приведена на рис. 3.5-2. Применяя электронные бал-ласты, можно управлять лампами любой мощности, в схему можно встраивать любые дополнительные устройства (например, фотореле, включающее освещение в сумерках и выключающее на рассвете).
Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40Вт
Для управления лампой дневного света (ЛДС) мощностью до 40 Вт предназначена схема, приведенная на рис. 3.5-3.
Напряжение питания ~220 В подается на входы L1 и L2. Выпрямленное диодами VD1 -VD4 постоянное напряжение составляет порядка 320 В. Конденсаторы С1 и С2 работают как емкостный входной фильтр. Возможно использование и сети ~110В, в этом случае питание подается на входы L1 (L2) и N. а диоды VD1. VD3 (VD2, VD4) с конденсаторами С1 и С2 работают как однопо лупериодный удвоитель напряжения.
DA1 (IR2151) — это схема управления МДП-транзистора ми с внутренним генератором, который работает прямо от шины питания через R1. Внутренний стабилизатор фиксирует напряжение питания на уровне 15 В. Предусмотрена блокировка затворов при падении напряжения питания ниже 9 В.
При номинальном постоянном напряжении шины питания 230 В выходной прямоугольный импульс имеет эффективное напряжение 160 В, а частота устанавливается подбором R2 и С4 для приближения к резонансной частоте лампы. Лампа работает в своей последовательной резонансной схеме, состоящей из последовательно включенной катушки индуктивности L1 и шунтирующего конденсатора С6, который стоит параллельно термистору с положительным температурным коэффициентом.
Термистор (для этих целей может также использоваться неоновая лампочка) имеет малое сопротивление в холодном состоянии и очень высокое в горячем, когда нагревается благодаря протекающему через него току. Назначение термистора — обеспечить плавное нарастание напряжения на электродах лампы при включении. В случаях, когда лампа горит постоянно или очень редко
включается/выключается, термистор можно убрать. В этом случае лампа включается мгновенно, что может привести к ее быстрому износу.
Сверхминиатюрная схема управления для лампы дневного света мощностью до 26Вт
Следующая принципиальная схема, приведенная на рис. 3.5-4, позволяет управлять лампой дневного света (ЛДС), имея при этом сверхминиатюрные размеры, так как в ней не применяются силовые инверторы (ИС IR51H420 объединяет в одном корпусе ИС IR2151 и МДП-ключи). Максимальная мощность лампы в этом случае не должна превышать 26 Вт, чего вполне достаточно для освещения одного рабочего места.
Рис. 3.5-1 Базовая схема электронного последовательного балласта
Рис. 3.5-3 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40 Вт
Рис. 3.5-4 Схема управления для лампы дневного света мощностью до 26 Вт
6. Повышающие преобразователи и умножители напряжения.
Повышающие преобразователи и умножители напряжения.
1. Бестрансформаторный удвоитель напряжения для малогабаритных устройств.
ПОВЫШАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Обычно, если в конструкции имеется сетевое питание, для получения всех питающих напряжении используют трансформаторы. Повышающие преобразователи и умножители напряжения применяются, когда необходимо получить напряжения большие, чем напряжения питания в носимых устройствах, питаемых от батарей или аккумуляторов. Преобразователи малой мощности (до 100-200 мВт) можно собрать на дискретных элементах без применения трансформаторов, в преобразователях большой мощности трансформатор необходим. Для получения удвоенного или утроенного напряжения можно пользоваться т.н. умножителями напряжения (см. главу 2).
Бестрансформаторный удвоитель напряжения для малогабаритных устройств
На рис. 3.6-1 приведена схема преобразователя напряжения 9 В -> 18В для устройств, потребляющих не более 100 мА при напряжении питания 18В. Преобразователь приведен в составе практической схемы сирены для систем охраны и сигнализации.
Генератор управления выполнен по типовой схеме. На выходе D 1.2 формируются прямоугольные импульсы с частотой 1 Гц. Импульсы поступают на управляемый генератор Dl.3, D1.4 и цепочку из R3, R2, С2, которая влияет на глубину модуляции. R4, R5, СЗ, С4 подбираются в соответствии с резонансной частотой пьезо керамического излучателя В 1 в пределах 1,5-3 кГц. Для повышения амплитуды на пьезокристалле в схему введен умножитель. Сигнал с выхода DD1.4 поступает на комплементарную пару VT5, VT6 и далее на умножитель VD3, VD4, С5, Сб. Напряжение на С6 при токе нагрузки 50 мА и основном питании 9 В составляет порядка 16 В. Мощность умножителя можно несколько увеличить, применив емкости большего номинала. Схему можно питать напряжением 6-15 В (15 В — максимум для ИС серии 561), в случае 15 В питания, напряжение на выходе умножителя будет составлять нс менее 25 В при нагрузке 80 мА.
В данной конструкции амплитуда на кристалле пьезоэлемен та будет учетверенной, учитывая то, что он включен в противофа-зе, относительно плеч транзисторов VT1, VT3. В качестве излучателя используется специально для этих целей разработанная керамическая пластина с двухсторонним покрытием, так называемый триморф с диаметром кристалла 32 мм.
Мощным преобразователь для питания бытовых электроприборов
На рис. 3.6-2 приведена принципиальная схема мощного преобразователя для питания бытовых электроприборов (телевизор, дрель, электронасос и т.д.) от автомобильного аккумулятора. Преобразователь обеспечивает выходное напряжение 220 В, 50 Гц на нагрузке мощностью до 100 Вт. При максимальной нагрузке потребляемый от аккумулятора ток не превышает 10 А.
Количество деталей в устройстве сведено к минимуму. На микросхеме DD1.1 собран задающий генератор с частотой 100 Гц. Точную настройку частоты (что важно для нормальной работы аппаратуры) осуществляют резисторами R1 и R2. Деление частоты на 2 и управление транзисторами обеспечиваются второй половиной микросхемы — D1.2. Транзисторы VT1, VT2 включены для обеспечения нормального режима работы выходов DD1.2 при максимальном токе нагрузки. Выходные транзисторы VT3, VT4 устанавливаются на радиаторы, площадь которых не менее 350 см^2.
Для сглаживания прямоугольных фронтов предназначен конденсатор СЗ, который вместе с выходной обмоткой и нагрузкой образует резонансную систему. Его емкость сильно зависит от характера нагрузки. Трансформатор ТР1 выполнен на магнитопро воде марки ШЛМ или ПЛМ габаритной мощности 100 Вт. Обмотки I и II содержат по 17 витков провода ПЭВ-2 2,0мм, обмотка III содержит 750 витков провода ПЭВ-2 0,7мм.
Данную схему очень легко переработать под высокочастотный преобразователь напряжения (частота преобразования ~25 кГц). Для этого достаточно поднять частоту задающего генератора на D1.1 до -50 кГц, изменив емкости С1 и С2 на 180 пФ, и заменить ТР1 на высокочастотный трансформатор. Мощность преобразователя зависит от нагрузки выходных транзисторов, максимальный ток, который они могут дать нс должен превышать 8А в плече. Для увеличения тока уменьшается количество витков трансформатора в 1 и II обмотках до 8-10. На выходе преобразователя устанавливается диодный мост и ВЧ-фильтр, применяемые в них компоненты должны обеспечивать нормальную работу на частоте 25 кГц.
Рис. 3.6-1 Схема бестрансформаторного удвоителя напряжения в составе малогабаритной сирены
Рис. 3.6-2 Схема мощного преобразователя 12 - 220В для питания бытовых электроприборов от автомобильного аккумулятора
2. Мощный преобразователь для питания бытовых электроприборов.
ПОВЫШАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Обычно, если в конструкции имеется сетевое питание, для получения всех питающих напряжении используют трансформаторы. Повышающие преобразователи и умножители напряжения применяются, когда необходимо получить напряжения большие, чем напряжения питания в носимых устройствах, питаемых от батарей или аккумуляторов. Преобразователи малой мощности (до 100-200 мВт) можно собрать на дискретных элементах без применения трансформаторов, в преобразователях большой мощности трансформатор необходим. Для получения удвоенного или утроенного напряжения можно пользоваться т.н. умножителями напряжения (см. главу 2).
Бестрансформаторный удвоитель напряжения для малогабаритных устройств
На рис. 3.6-1 приведена схема преобразователя напряжения 9 В -> 18В для устройств, потребляющих не более 100 мА при напряжении питания 18В. Преобразователь приведен в составе практической схемы сирены для систем охраны и сигнализации.
Генератор управления выполнен по типовой схеме. На выходе D 1.2 формируются прямоугольные импульсы с частотой 1 Гц. Импульсы поступают на управляемый генератор Dl.3, D1.4 и цепочку из R3, R2, С2, которая влияет на глубину модуляции. R4, R5, СЗ, С4 подбираются в соответствии с резонансной частотой пьезо керамического излучателя В 1 в пределах 1,5-3 кГц. Для повышения амплитуды на пьезокристалле в схему введен умножитель. Сигнал с выхода DD1.4 поступает на комплементарную пару VT5, VT6 и далее на умножитель VD3, VD4, С5, Сб. Напряжение на С6 при токе нагрузки 50 мА и основном питании 9 В составляет порядка 16 В. Мощность умножителя можно несколько увеличить, применив емкости большего номинала. Схему можно питать напряжением 6-15 В (15 В — максимум для ИС серии 561), в случае 15 В питания, напряжение на выходе умножителя будет составлять нс менее 25 В при нагрузке 80 мА.
В данной конструкции амплитуда на кристалле пьезоэлемен та будет учетверенной, учитывая то, что он включен в противофа-зе, относительно плеч транзисторов VT1, VT3. В качестве излучателя используется специально для этих целей разработанная керамическая пластина с двухсторонним покрытием, так называемый триморф с диаметром кристалла 32 мм.
Мощным преобразователь для питания бытовых электроприборов
На рис. 3.6-2 приведена принципиальная схема мощного преобразователя для питания бытовых электроприборов (телевизор, дрель, электронасос и т.д.) от автомобильного аккумулятора. Преобразователь обеспечивает выходное напряжение 220 В, 50 Гц на нагрузке мощностью до 100 Вт. При максимальной нагрузке потребляемый от аккумулятора ток не превышает 10 А.
Количество деталей в устройстве сведено к минимуму. На микросхеме DD1.1 собран задающий генератор с частотой 100 Гц. Точную настройку частоты (что важно для нормальной работы аппаратуры) осуществляют резисторами R1 и R2. Деление частоты на 2 и управление транзисторами обеспечиваются второй половиной микросхемы — D1.2. Транзисторы VT1, VT2 включены для обеспечения нормального режима работы выходов DD1.2 при максимальном токе нагрузки. Выходные транзисторы VT3, VT4 устанавливаются на радиаторы, площадь которых не менее 350 см^2.
Для сглаживания прямоугольных фронтов предназначен конденсатор СЗ, который вместе с выходной обмоткой и нагрузкой образует резонансную систему. Его емкость сильно зависит от характера нагрузки. Трансформатор ТР1 выполнен на магнитопро воде марки ШЛМ или ПЛМ габаритной мощности 100 Вт. Обмотки I и II содержат по 17 витков провода ПЭВ-2 2,0мм, обмотка III содержит 750 витков провода ПЭВ-2 0,7мм.
Данную схему очень легко переработать под высокочастотный преобразователь напряжения (частота преобразования ~25 кГц). Для этого достаточно поднять частоту задающего генератора на D1.1 до -50 кГц, изменив емкости С1 и С2 на 180 пФ, и заменить ТР1 на высокочастотный трансформатор. Мощность преобразователя зависит от нагрузки выходных транзисторов, максимальный ток, который они могут дать нс должен превышать 8А в плече. Для увеличения тока уменьшается количество витков трансформатора в 1 и II обмотках до 8-10. На выходе преобразователя устанавливается диодный мост и ВЧ-фильтр, применяемые в них компоненты должны обеспечивать нормальную работу на частоте 25 кГц.
Рис. 3.6-1 Схема бестрансформаторного удвоителя напряжения в составе малогабаритной сирены
Рис. 3.6-2 Схема мощного преобразователя 12 - 220В для питания бытовых электроприборов от автомобильного аккумулятора
7. Защита от превышения сетевого напряжения.
1. Защита от превышения сетевого напряжения.
ЗАЩИТА ОТ ПРЕВЫШЕНИЯ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В промышленной и бытовой сети довольно часто можно зафиксировать непредвиденные броски напряжения, при этом напряжение в сети может превышать номинальное на 20-40%. Такие броски условно можно разделить на два класса:
1. Кратковременные — увеличение амплитуды в течение нескольких периодов.
2. Длительные — увеличение напряжения в течение нескольких секунд или минут.
Первые можно отнести скорее к импульсным помехам, что связано с коммутацией на линии каких-то мощных нагрузок (сварочные аппараты, двигатели, нагревательные элементы). Они, несомненно, оказывают влияние на бытовую технику и, особенно, на чувствительные элементы источников питания телевизоров, аудиоцентров. которые часто находятся в дежурном режиме круглые сутки.
Устройство защиты от импульсных помех в сети
Устройство, защищающее от импульсных помех, показано на рис. 3.7-1. Схема состоит из следующих узлов:
• источник питания — VD1-VD4, R6, R7, VD5, VD7,Cl, C2;
• датчик-компаратор — Rl, R2, R3, R4, R5, HL1, VD8, DA1, R8, R9;
• формирователь сброса с задержкой по выключению — VD9, R10, DD1.1,DD1.2, VD10, R11, СЗ;
• генератор импульсов высокой частоты 25 кГц для управления симмистором—DD 1.3, DD1.4, R 12, R 13, С4, С5, R14, ТР1, VS1.
• звуковой сигнализатор (выполняется по желанию) —
R14, R15, C6,C7,HA1,DD2.
Источник питания вырабатывает два напряжения: +24 В — для питания импульсного трансформатора, +5 В — для питания ИС устройства.
Узел контроля напряжения собран на Rl, R2, R3. С делителя напряжение поступает на вход компаратора. Уровень срабатывания по превышению напряжения устанавливается резистором R2 (положение движка подбирается таким образом, чтобы компаратор был на грани срабатывания при 245 В на входе). При превышении на входе компаратора заданного амплитудного значения он переключается и на выходе появляются прямоугольные импульсы с частотой 25 Гц.
В исходном состоянии на выходе D1.2 поддерживается высокий логический уровень, разрешающий работу генератора управления симмистором (для поддержания его в открытом состоянии). Транзистор VT1 управляет импульсным трансформатором. формирующим мощные импульсы напряжения открывают. Частота генератора выбрана равной 25 кГц для скорейшего отпирания силового ключа в моменты перехода через "нуль" (если частота управления будет недостаточной, может случиться так, что когда во время включения появятся высоковольтные выбросы и будет искажена форма синусоидального сигнала, система не успеет среагировать и искаженный сигнал поступит на нагрузку).
Дифференцирующая цепочка на элементах D1.1 и D1.2 осуществляет запрет работы генератора при поступлении низкого уровня с выхода компаратора (при повышении порогового напряжения в сети) и с задержкой в 9с разрешает запуск генератора, когда напряжение снизится до порогового значения 240 В.
Импульсный трансформатор ТР1 намотан на матнитопро воде типоразмера К20х10х7,5 из феррита марки 2000НН и содержит: обмотка I — 100 витков, обмотка II — 40 витков провода ПЭЛШО-0,22. Обмотки изолируют от кольца слоем лакоткани и размещают на противоположных сторонах кольца.
При мощности нагрузки более 300 Вт симмистор необходимо установить на радиатор.
Рис. 3.7-1 Схема устройства защиты от импульсных помех в сети
2. Устройство защиты от импульсных помех в сети.
ЗАЩИТА ОТ ПРЕВЫШЕНИЯ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В промышленной и бытовой сети довольно часто можно зафиксировать непредвиденные броски напряжения, при этом напряжение в сети может превышать номинальное на 20-40%. Такие броски условно можно разделить на два класса:
1. Кратковременные — увеличение амплитуды в течение нескольких периодов.
2. Длительные — увеличение напряжения в течение нескольких секунд или минут.
Первые можно отнести скорее к импульсным помехам, что связано с коммутацией на линии каких-то мощных нагрузок (сварочные аппараты, двигатели, нагревательные элементы). Они, несомненно, оказывают влияние на бытовую технику и, особенно, на чувствительные элементы источников питания телевизоров, аудиоцентров. которые часто находятся в дежурном режиме круглые сутки.
Устройство защиты от импульсных помех в сети
Устройство, защищающее от импульсных помех, показано на рис. 3.7-1. Схема состоит из следующих узлов:
• источник питания — VD1-VD4, R6, R7, VD5, VD7,Cl, C2;
• датчик-компаратор — Rl, R2, R3, R4, R5, HL1, VD8, DA1, R8, R9;
• формирователь сброса с задержкой по выключению — VD9, R10, DD1.1,DD1.2, VD10, R11, СЗ;
• генератор импульсов высокой частоты 25 кГц для управления симмистором—DD 1.3, DD1.4, R 12, R 13, С4, С5, R14, ТР1, VS1.
• звуковой сигнализатор (выполняется по желанию) —
R14, R15, C6,C7,HA1,DD2.
Источник питания вырабатывает два напряжения: +24 В — для питания импульсного трансформатора, +5 В — для питания ИС устройства.
Узел контроля напряжения собран на Rl, R2, R3. С делителя напряжение поступает на вход компаратора. Уровень срабатывания по превышению напряжения устанавливается резистором R2 (положение движка подбирается таким образом, чтобы компаратор был на грани срабатывания при 245 В на входе). При превышении на входе компаратора заданного амплитудного значения он переключается и на выходе появляются прямоугольные импульсы с частотой 25 Гц.
В исходном состоянии на выходе D1.2 поддерживается высокий логический уровень, разрешающий работу генератора управления симмистором (для поддержания его в открытом состоянии). Транзистор VT1 управляет импульсным трансформатором. формирующим мощные импульсы напряжения открывают. Частота генератора выбрана равной 25 кГц для скорейшего отпирания силового ключа в моменты перехода через "нуль" (если частота управления будет недостаточной, может случиться так, что когда во время включения появятся высоковольтные выбросы и будет искажена форма синусоидального сигнала, система не успеет среагировать и искаженный сигнал поступит на нагрузку).
Дифференцирующая цепочка на элементах D1.1 и D1.2 осуществляет запрет работы генератора при поступлении низкого уровня с выхода компаратора (при повышении порогового напряжения в сети) и с задержкой в 9с разрешает запуск генератора, когда напряжение снизится до порогового значения 240 В.
Импульсный трансформатор ТР1 намотан на матнитопро воде типоразмера К20х10х7,5 из феррита марки 2000НН и содержит: обмотка I — 100 витков, обмотка II — 40 витков провода ПЭЛШО-0,22. Обмотки изолируют от кольца слоем лакоткани и размещают на противоположных сторонах кольца.
При мощности нагрузки более 300 Вт симмистор необходимо установить на радиатор.
Рис. 3.7-1 Схема устройства защиты от импульсных помех в сети
8. Стабилизированные источники питания
Стабилизированные источники питания
Несмотря на широкое распространение в телевизорах, видеомагнитофонах, компьютерах и другой радиоаппаратуре импульсных источников питания, они не могут вытеснить линейных компенсационных стабилизаторов.
Импульсные источники, как правило, используются совместно с линейными стабилизаторами. Объясняется это тем, что линейные стабилизаторы обеспечивают меньший уровень пульсации на выходе, а также допускают изменение тока нагрузки в более широком диапазоне (импульсные источники не любят режима холостого хода).
Линейные источники отличаются от импульсных простотой схемы, менее требовательны к используемой элементной базе и имеют высокую надежность.
В устройствах, где предъявляются повышенные требования к питающим напряжениям, таких как модем, высококачественные звуковые усилители и во многих других используются только линейные стабилизаторы. При этом отпадает необходимость в борьбе с высокочастотными помехами и наводками, вызванными работой импульсного преобразователя.
Данный раздел посвящен в основном линейным стабилизаторам и методам получения от них хороших технических характеристик.
1. Линейные стабилизаторы напряжения с высоким КПД
Линейные стабилизаторы напряжения с высоким КПД
Основным недостатком линейных стабилизаторов средней и большой мощности является их низкий КПД. Причем, чем меньше выходное напряжение источника питания, тем меньше становится его КПД. Это объясняется тем, что в режиме стабилизации силовой транзистор источника питания обычно включен последовательно с нагрузкой, а для нормальной работы такого стабилизатора на регулирующем транзисторе должно действовать напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ) не менее 3...5 В. При токах более 1 А это дает значительные потери мощности за счет выделения тепловой энергии, рассеиваемой на силовом транзисторе. Что приводит к необходимости увеличивать площадь теплоотводящего радиатора или применять вентилятор для принудительного охлаждения.
Широко распространенные благодаря низкой стоимости интегральные линейные стабилизаторы напряжения на микросхемах из серии 142ЕН(5...14) обладают таким же недостатком.
В последнее время в продаже появились импортные микросхемы из серии "LOW DROP" (SD, DV, LT1083/1084/1085). Эти микросхемы могут работать при пониженном напряжении между входом и выходом (до 1...1.3 В) и обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение в диапазоне 1,25...30 В при токе в нагрузке 7,5/5/3 А соответственно. Ближайший по параметрам отечественный аналог типа КР142ЕН22 имеет максимальный ток стабилизации 5 А.
При максимальном выходном токе режим стабилизации гарантируется производителем при напряжении вход-выход не менее 1,5 В. Микросхемы также имеют встроенную защиту от превышения тока в нагрузке допустимой величины и тепловую защиту от перегрева корпуса.
Данные стабилизаторы обеспечивают нестабильность выходного напряжения 0,05%/В, нестабильность выходного напряжения при изменении выходного тока от 10 мА до максимального значения не хуже 0,1%/В.
Типовая схема включения таких стабилизаторов напряжения приведена на рис. 4.1.
Конденсаторы С2...С4 должны располагаться вблизи от микросхемы и лучше, если они будут танталовые. Емкость конденсатора С1 выбирается из условия 2000 мкФ на 1 А тока.
Микросхемы выпускаются в трех видах конструктивного исполнения корпуса, показанных на рис. 4.2. Вид корпуса задается последними буквами в обозначении. Более подробная информация по данным микросхемам имеется в справочной литературе, например Л19.
Такие стабилизаторы напряжения экономически целесообразно применять при токе в нагрузке более 1 А, а также в случае недостатка места в конструкции.
На дискретных элементах также можно выполнить экономичный источник питания. Приведенная на рис. 4.3 схема рассчитана для выходного напряжения 5 В и тока нагрузки до 1 А. Она обеспечивает нормальную работу при минимальном напряжении на силовом
транзисторе (0.7...1,3 В). Это достигается за счет использования в качестве силового регулятора транзистора (VT2) с малым напряжением и«э в открытом состоянии. Что позволяет обеспечить работу схемы стабилизатора при меньших напряжениях вход-выход.
Схема имеет защиту (триггерного типа) в случае превышения тока в нагрузке допустимой величины, а также превышения напряжения на входе стабилизатора величины 10,8 В.
Узел защиты выполнен на транзисторе VT1 и тиристоре VS1. При срабатывании тиристора он отключает питание микросхемы DA1 (вывод 7 закорачивается на общий провод). В этом случае транзистор VT3, а значит и VT2 закроются и на выходе будет нулевое напря-
жение. Вернуть схему в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей перегрузку, можно только выключением и повторным включением блока питания.
Конденсатор СЗ обычно не требуется — его задача облегчить запуск схемы в момент включения.
Топология печатной платы для монтажа элементов показана на рис. 4.4 (она содержит одну объемную перемычку).
Транзистор VT2 устанавливается на радиатор.
При изготовлении использованы детали: подстроенный резистор R8 типа СПЗ-19а, остальные резисторы любого типа; конденсаторы С1 —К50-29Вна 16 В, С2...С5 — К-10-17, С5 — К52-1 на 6,3 В.
Схему можно дополнить светодиодным индикатором срабатывания защиты (HL1). Для этого потребуется установить дополнительные элементы: диод VD3 и резистор R10, как это показано на рис. 4.5.
Рис. 4.1 Схема включения стабилизаторов из серии "LOW DROP"
Рис. 4.2 Вид корпуса и расположение выводов у стабилизаторов
Рис. 4.3 Принципиальная схема стабилизатора напряжения, работающего при пониженном напряжении вход-выход
Рис. 4.4 Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 4.5 Подключение индикатора срабатывания защиты
2. Регулируемый источник питания на ток до 1 А
Регулируемый источник питания на ток до 1 А
Для питания многих переносных бытовых устройств или ремонта радиоаппаратуры удобно иметь стационарный универсальный источник стабилизированного постоянного напряжения. Обычно для такого источника достаточно регулировки выходного напряжения от 1,5...30 В при максимальном токе в нагрузке до 1 А.
Такой источник легко можно выполнить на интегральной микросхеме из серии К142ЕН12А (Б), рис. 4.6. Ее схема включения является типовой и в особых пояснениях не нуждается. Микросхема внутри имеет защиту от перегрузки по току и позволяет рассеивать на радиаторе мощность до 10 Вт.
При изготовлении универсального источника питания с регулировкой выходного напряжения в широком диапазоне, чтобы обеспечить для силового транзистора облегченный режим, часто используется се-
тевой трансформатор с секционированной вторичной обмоткой. В этом случае отводы трансформатора соединяются вручную при помощи переключателя в зависимости от уровня выходного напряжения так, чтобы разность между входом и выходом не была очень большой. Вместо переключателя эту задачу вполне может выполнять автоматическое устройство, выделенное на рисунке пунктиром.
Для переключения четырех отводов вторичной обмотки трансформатора Т1 достаточно всего двух реле, имеющих по две группы переключающих контактов. Реле включаются в определенной последовательности. На схеме показано исходное положение контактов К1 и К2, когда ни одно из них не включено.
Коммутатор имеет три порога переключения и управление работой реле выполняется следующим образом:
1) как только напряжение на выходе превысит 7,5 В — включится реле К1;
2) при превышении уровня 15В — сработает реле К2;
3) при превышении уровня 22,5 В — отключится К1.
При этом напряжение, снимаемое со вторичных обмоток трансформатора Т1, будет ступенчато возрастать.
Уровень порога переключения определяется рабочим напряжением применяемых стабилитронов (VD4...VD6). В данном варианте схемы для стабилитронов КС175А он составляет 7,5 В. Это позволяет на выходе источника питания изменять напряжение от 1,5 до 30 В только одним регулятором (R6).
Схема исключает дребезг контактов реле при переключении и при правильном монтаже коммутатора он в настройке не нуждается.
В устройстве использованы детали: переменный резистор R6 типа СПЗ-4а, остальные резисторы МЛТ или С2-23. Полярный конденсатор СЗ лучше использовать танталовый, например типа К52-1Б, К53-4А; С1, С2 и С4 могут быть любого типа.
Транзисторы VT1, VT2 должны быть с большим коэффициентом усиления и их можно заменить на КТ829 (А...Г).
Реле К1, К2 применяются на рабочее напряжение 24...27 В и должны иметь две группы переключающих контактов, допускающих коммутацию тока до 1...2 А. Например, такими являются РПГ-8-2602 на 24 В, РЭС48 РС4.520.203, РЭС47 РФ4.500.407 и некоторые Другие.
Сетевой трансформатор Т1 можно использовать из серии унифицированных ТПП255-220-50, ТПП276-220-50. ТПП292-220-50. Нумерация подключаемых обмоток может быть такой же, как показана в Л20, стр. 111. Не сложно также изготовить сетевой трансформатор на основе любого имеющегося у вас трансформаторного железа (методика его расчета приведена в той же книге на стр. 167).
Микросхему DA1 устанавливают на радиатор. При этом радиатор не должен иметь электрического контакта с корпусом конструкции, так как у DA1 вывод 8 соединен с крепежным элементом микросхемы.
Рис. 4.6 Принципиальная схема источника питания
3. Мощные стабилизаторы напряжения с защитой по току
Мощные стабилизаторы напряжения с защитой по току
Для питания некоторых радиотехнических устройств требуется источник питания с повышенными требованиями к уровню минимальных выходных пульсации и стабильности напряжения. Чтобы их обеспечить, блок питания приходится выполнять на дискретных элементах.
Приведенная на рис. 4.7 схема является универсальной и на ее основе можно сделать высококачественный источник питания на любое напряжение и ток в нагрузке.
Блок питания собран на широко распространенном сдвоенном операционном усилителе (КР140УД20А) и одном силовом транзисторе VT1. При этом схема имеет защиту по току, которую можно регулировать в широких пределах.
На операционном усилителе DA1.1 выполнен стабилизатор напряжения, a DA1.2 используется для обеспечения защиты по току. Микросхемы DA2, DA3 стабилизируют питание схемы управления, собранной на DA1, что позволяет улучшить параметры источника питания.
Работает схема стабилизации напряжения следующим образом. С выхода источника (Х2) снимается обратная связь по напряжению. Этот сигнал сравнивается с опорным напряжением, поступающим со стабилитрона VD1. На вход ОУ подается сигнал рассогласования (разность этих напряжении) который усиливается и поступает через R10-R11 на управление транзистором VT1. Таким образом выходное напряжение поддерживается на заданном уровне с точностью, определяемой коэффициентом усиления ОУ DA1.1.
Нужное выходное напряжение устанавливается резистором R5.
Для того, чтобы у источника питания имелась возможность устанавливать выходное напряжение более 15 В, общий провод для схемы управления подключен к клемме "+" (Х1). При этом для полного открывания силового транзистора (VT1) на выходе ОУ потребуется небольшое напряжение (на базе VT1 Uбэ=+1,2 В).
Такое построение схемы позволяет выполнять источники питания на любое напряжение, ограниченное только допустимой величиной напряжения коллектор-эмиттер (Uкэ) для конкретного типа силового транзистора (для КТ827А максимальное Uкэ=80 В).
В данной схеме силовой транзистор является составным и поэтому может иметь коэффициент усиления в диапазоне 750...1700, что позволяет управлять им небольшим током — непосредственно с выхода ОУ DA1.1. Это снижает число необходимых элементов и упрощает схему.
Схема защиты по току собрана на ОУ DA1.2. При протекании тока в нагрузке на резисторе R12 выделяется напряжение. Оно через резистор R6 прикладывается к точке соединения R4-R8, где сравнивается с опорным уровнем. Пока эта разница отрицательна (что зависит от тока в нагрузке и величины сопротивления резистора R12) — эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения.
Как только напряжение в указанной точке станет положительным, на выходе ОУ DA1.2 появится отрицательное напряжение, которое через диод VD12 уменьшит напряжение на базе силового транзистора VT1, ограничивая выходной ток. Уровень ограничения выходного тока регулируется с помощью резистора R6.
Параллельно включенные диоды на входах операционных усилителей (VD3...VD7) обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения ее без обратной связи через транзистор VT1 или при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю и диоды не оказывают влияния на работу устройства.
Установленный в цепи отрицательной обратной связи конденсатор СЗ ограничивает полосу усиливаемых частот, что повышает устойчивость работы схемы, предотвращая самовозбуждение.
Аналогичную схему источника питания можно выполнить на транзисторе с другой проводимостью КТ825А (рис. 4.8).
При использовании указанных на схемах элементов данные источники питания позволяют на выходе получать стабилизированное напряжение до 50 В при токе 1 ...5 А.
Технические параметры стабилизированного источника питания получаются не хуже указанных для аналогичной по принципу работы схемы, приведенной на рис. 4.10.
Силовой транзистор устанавливается на радиатор, площадь которого зависит от тока в нагрузке и напряжения 11кэ. Для нормальной работы стабилизатора это напряжение должно быть не менее 3 В.
При сборке схемы использованы детали: подстроенные резисторы R5 и R6 типа СПЗ-19а; постоянные резисторы R12 типа С5-16МВ на мощность не менее 5 Вт (мощность зависит от тока в нагрузке), остальные из серии МЛТ и С2-23 соответствующей мощности. Конденсаторы С1, С2, СЗ типа К10-17, оксидные полярные конденсаторы С4...С9 типа К50-35 (К50-32).
Микросхема сдвоенного операционного усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом цА747 или двумя микросхемами 140УД7; стабилизаторы напряжения: DA2 на 78L15, DA3 на 79L15.
Параметры сетевого трансформатора Т1 зависят от необходимой мощности, поступающей в нагрузку. Для напряжения до 30 В и тока 3 А можно использовать такой же, как и в схеме на рис. 4.10. Во вторичной обмотке трансформатора после выпрямления на конденсаторе С6 должно обеспечиваться напряжение на 3...5 В больше, чем требуется получить на выходе стабилизатора.
В заключение можно отметить, что если источник питания предполагается использовать в широком температурном диапазоне (-60...+100°С), то для получения хороших технических характеристик необходимо применять дополнительные меры. К их числу относится повышение стабильности опорных напряжений. Это можно осуществить за счет выбора стабилитронов VD1, VD2 с минимальным ТКН, а также стабилизации тока через них. Обычно стабилизацию тока через стабилитрон выполняют при помощи полевого транзистора или же применением дополнительной микросхемы, работающей в режиме стабилизации тока через стабилитрон, рис. 4.9. Кроме того, стабилитроны обеспечивают наилучшую термостабильность напряжения в определенной точке своей характеристики. В паспорте на прецизионные стабилитроны обычно это значение тока указывается и именно его надо устанавливать подстроенными резисторами при настройке
узла источника опорного напряжения, для чего в цепь стабилитрона временно включается миллиамперметр. . ',
Рис. 4.7 Электрическая принципиальная схема источника питания
Рис. 4.8 Второй вариант схемы источника питания
Рис. 4.9 Повышение стабильности опорных напряжений
4. Лабораторный источник питания с регулировкой тока ограничения
Лабораторный источник питания с регулировкой тока ограничения
Для настройки или ремонта радиотехнических устройств необходимо иметь несколько источников питания. У многих дома уже есть такие устройства, но, как правило, они имеют ограниченные эксплуатационные возможности (допустимый ток нагрузки до 1 А, а если и предусмотрена токовая защита, то она инерционна или без возможности регулировать — триггерная). В общем такие источники по своим техническим характеристикам не могут конкурировать с промышленными блоками питания. Приобретать же универсальный лабораторный промышленный источник довольно дорого.
Использование современной схемотехники и элементной базы позволяют сделать в домашних условиях источник питания, по основным техническим характеристикам не уступающий лучшим промышленным образцам. При этом он может быть простым в изготовлении и настройке.
Основные требования, которым должен удовлетворять такой источник питания: регулировка напряжения в диапазоне 0...30 В; способность обеспечить ток в нагрузке до 3 А при минимальных пульсациях; регулировка срабатывания токовой защиты. Кроме того, срабатывание защиты по току должно быть достаточно быстрым, чтобы исключить повреждение самого источника в случае короткого замыкания на выходе.
Возможность плавно регулировать в источнике питания ограничения тока позволяет при настройке внешних устройств исключить их повреждение.
Всем этим требованиям удовлетворяет предлагаемая ниже схема универсального источника питания. Кроме того, данный блок питания позволяет использовать его в качестве источника стабильного тока (до 3 А).
Основные технические характеристики источника питания:
плавная регулировка напряжения в диапазоне от 0 до 30 В;
напряжение пульсации при токе 3 А не более 1 мВ;
плавная регулировка тока ограничения (защиты) от 0 до 3 А;
коэффициент нестабильности по напряжению не хуже 0,001%/В;
коэффициент нестабильности по току не хуже 0,01%/В;
КПД источника не хуже 0,6.
Электрическая схема источника питания, рис. 4.10, состоит из схемы управления (узел А1), трансформатора (Т1), выпрямителя (VD5...VD8), силового регулирующего транзистора VT3 и блока коммутации обмоток трансформатора (А2).
Схема управления (А1) собрана на двух универсальных операционных усилителях (ОУ), расположенных в одном корпусе, и питается от отдельной обмотки трансформатора. Это обеспечивает регулировку выходного напряжения от нуля, а также более стабильную работу всего устройства. А для облегчения теплового режима работы силового регулирующего транзистора применен трансформатор с секционированной вторичной обмоткой. Отводы автоматически переключаются в
зависимости от уровня выходного напряжения при помощи реле К1, К2. Что позволяет, несмотря на большой ток в нагрузке, применить теплоотвод для VT3 небольших размеров, а также повысить КПД стабилизатора.
Блок коммутации (А2), чтобы при помощи всего двух реле обеспечить переключение четырех отводов трансформатора, выполняет их включение в следующей последовательности: при превышении выходного напряжения уровня 7,5 В — включается К1; при превышения уровня 15 В включается К2; при превышении 22 В—отключается К1 (в этом случае с обмоток трансформатора поступает максимальное напряжение). Указанные пороги задаются используемыми стабилитронами (VD11...VD13). Отключение реле при снижении напряжения выполняется в обратной последовательности, но с гистерезисом примерно 0,3 В, т.е. когда напряжение снизится на это значение ниже чем при включении, что исключает дребезг при переключении обмоток.
Схема управления (А1) состоит из стабилизатора напряжения и стабилизатора тока. При необходимости устройство может работать в любом из этих режимов. Режим зависит от положения регулятора "I" (R18).
Стабилизатор напряжения собран на элементах DA1.1-VT2-VT3. Работает схема стабилизатора следующим образом. Нужное выходное напряжение устанавливается резисторами "грубо" (R16) и "точно" (R17). В режиме стабилизации напряжения сигнал обратной связи по напряжению (-Uoc) с выхода (Х2) через делитель из резисторов R16-R17-R7 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1/2. На этот же вход через резисторы R3-R5-R7 подается опорное напряжение +9 В. В момент включения схемы на выходе DA1/12 будет увеличиваться положительное напряжение (оно через транзистор VT2 приходит на управление VT3) до тех пор, пока напряжение на выходных клеммах Х1-Х2 не достигнет установленного резисторами R16-R17 уровня. За счет отрицательной обратной связи по напряжению, поступающей с выхода Х2 на вход усилителя DA1/2, выполняется стабилизация выходного напряжения источника питания.
При этом выходное напряжение будет определяться соотношением:
где Uon=9 В
Соответственно изменяя сопротивление резисторов R16 ("грубо") и R17 ("точно"), можно менять выходное напряжение (Uвых) от 0 до 30 В.
Когда к выходу источника питания подключена нагрузка, в его выходной цепи начинает протекать ток, создающий положительное падение напряжения на резисторе R19 (относительно общего провода схемы). Это напряжение поступает через резистор R18 в точку соединения R6-R8. Со стабилитрона VD2 через R4-R6 подается опорное отрицательное напряжение (-9 В). Операционный усилитель DA1.2 усиливает разность между ними. Пока разность отрицательная (т.е. выходной ток меньше установленной резистором R18 величины), на выходе DA1/10 действует+15 В. Транзистор VT1 будет закрыт и эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения.
При увеличении тока нагрузки до величины, при которой на входе DA1/7 появится положительное напряжение, на выходе DA1/10 будет отрицательное напряжение и транзистор VT1 приоткроется. В цепи R13-R12-HL1 протекает ток, который уменьшит открывающее напряжение на базе регулирующего силового транзистора VT3.
Свечение красного светодиода (HL1) сигнализирует о переходе схемы в режим ограничения тока. В этом случае выходное напряжение источника питания снизится до такой величины, при которой выходной ток будет иметь значение, достаточное для того, чтобы напряжение обратной связи по току (Uoc), снимаемое с резистора R16, и опорное в точке соединения R6-R8-R18 взаимно компенсировались, т.е. появился нулевой потенциал. В результате выходной ток источника окажется ограниченным на уровне, задаваемым положением движка резистора R18. При этом ток в выходной цепи будет определяться соотношением:
где Uon=-9 В
Диоды (VD3) на входах операционных усилителей обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения ее без обратной связи или при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю и диоды не оказывают влияния на работу устройства.
Конденсатор СЗ ограничивает полосу усиливаемых частот ОУ, что предотвращает самовозбуждение и повышает устойчивость работы схемы.
Особенности конструкции
Части схемы, выделенные пунктиром (узлы А1 и А2), располагаются на двух печатных платах размером 80х65 мм из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1...3 мм.
Для узла А1 топология и расположение элементов показаны на рис. 4.11.
Узел А2 может быть выполнен объемным монтажом и его размеры зависят от типа применяемых репе.
При сборке использованы детали: подстроенные резисторы R5 и R6 типа СПЗ-19а; переменные резисторы R16...R18 типа СПЗ-4а или ППБ-1А; постоянные резисторы R19 типа С5-16МВ на 5 Вт, остальные из серии МЛТ и С2-23 соответствующей мощности.
Конденсаторы С1, С2, СЗ, С10 типа К10-17, электролитические С4...С9 типа К50-35 (К50-32).
Микросхема DA1 может быть заменена импортным аналогом А747; DA2 на 78L15; DA3 на 79L15.
Светодиоды HL1, HL2 подойдут любые с разным цветом свечения. Транзисторы VT1, VT2 могут быть заменены на КТ3107А (Б). Сиговой транзистор VT3 устанавливается на радиатор площадью около 1000 см кв. Разъем ХЗ на плате А1 типа РШ2Н-2-15.
Репе К1, К2 применены польского производства типоразмера R-15 с обмоткой на рабочее напряжение 24 В (сопротивление обмотки 430 Ом) - они за счет бескорпусного исполнения имеют малые габариты и достаточно мощные переключающие контакты.
Микроамперметр РА1 малогабаритный типа М42303 или аналогичный с внутренним шунтом на ток до 3 или 5 А. Для удобства эксплуатации источника питания схему можно дополнить вольтметром, показывающим выходное напряжение.
Сетевой трансформатор Т1 изготавливается самостоятельно на основе броневого унифицированного промышленного трансформатора мощностью 160 Вт (например, из серии ОСМ1 ТУ16-717.137-83). Железо в месте расположения каркаса катушки имеет сечение 40х32 мм. Потребуется удалить все вторичные обмотки, оставив только сетевую (если первичная обмотка рассчитана на 380 В, то с нее сматываем
300 витков). Намотку начинаем с обмотки 8-9-10 — она содержит 38+38 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,23 мм. Обмотка 7-^-5-4-3 содержит 16+15+15+15 витков проводом ПЭЛ диаметром 1,5 мм. Вторичные обмотки трансформатора должны обеспечивать на холостом ходу напряжения 18+18 В и 7,5+7,5+7,5+7,5 В соответственно.
При безошибочном монтаже в схеме узла А1 потребуется настроить только максимум диапазона регулировки выходного напряжения 0...30 В резистором R5 и максимальный ток защиты ЗА — резистором R6.
Блок коммутации (А2) в настройке не нуждается. Необходимо только проверить пороги переключения реле К1, К2 и соответствующее увеличение напряжения на конденсаторе С8.
При работе схемы в режиме стабилизации напряжения светится зеленый светодиод (HL2), а при переходе в режим стабилизации тока — красный (HL1).
Для увеличения максимально допустимого тока в нагрузке до 5 А в схему потребуется внести изменения, показанные на рис. 4.12 (устанавливается параллельно два силовых транзистора). Это вызвано необходимостью обеспечить надежную работу устройства в случае короткого замыкания на выходных клеммах.
В наихудшем случае силовые транзисторы кратковременно должны выдерживать перегрузку по мощности Р=11вх1=35-5=175 Вт. А ' один транзистор КТ827А может рассеивать мощность не более 125 Вт.
Переключающие напряжение с трансформатора Т1 реле К1 и К2 инерционны и не обеспечивают мгновенное снижение напряжения, приходящего со вторичной обмотки Т1, но они уменьшат тепловую рассеиваемую мощность на силовых транзисторах при длительной работе источника.
В случае выполнения источника питания на ток 5 А необходимо также уменьшить номинал резистора R19 до 0,2 Ом и с учетом этого пересчитать значения резистора R18 по формуле:
Рис. 4.10 Электрическая принципиальная схема универсального источника питания
Рис. 4.11 Топология печатной платы и расположение элементов узла А1
Рис. 4.12 Изменения в схеме для тока в нагрузке до 5 А
Ф.1 Соотношение для расчета выходного напряжения
Ф.2 Определение тока в выходной цепи
Ф.3 Пересчет для тока в нагрузке до 5 А
5. Автоматическое зарядно-пусковое устройство для автомобильного аккумулятора
Автоматическое зарядно-пусковое устройство для автомобильного аккумулятора
Пусковые устройства промышленного изготовления нередко обладают малой мощностью и недостаточно надежны в эксплуатации. Простейшие самостоятельно изготовленные схемы автомобильных пусковых устройств, состоящие только из трансформатора и силовых выпрямительных диодов, также обладают рядом недостатков.
Во-первых, при случайном коротком замыкании выходных проводов можно легко повредить дорогостоящие выпрямительные диоды. В случае неправильной полярности подключения такой схемы к аккумулятору можно повредить бортовую электронику или сам аккумулятор.
Кроме того, при изготовлении простейшего пускового устройства требуется грамотно выбирать параметры трансформатора (соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток для конкретного типа магнитопровода), чтобы он обеспечивал ток в нагрузку не менее 100 А при просадке напряжения не ниже 10 В.
Устранить все эти недостатки позволяет описываемое ниже устройство. Его можно также использовать для подзаряда или тренировки аккумулятора, а автоматика не допустит превышения напряжения на аккумуляторе выше допустимой величины во всех режимах работы.
Электрическая схема обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и защиту по току от короткого замыкания. А при неправильной полярности подключения аккумулятора к выходным клеммам устройства не позволит включить его в работу.
Для работы пуско-зарядного устройства в разных режимах подключение аккумулятора выполняется к одним и тем же выходным клеммам, что очень удобно при эксплуатации. При этом обеспечивается контроль работы схемы и состояния аккумулятора при помощи вольтметра и амперметра, установленных на передней панели корпуса, рис. 4.13. Расположенными там же регуляторами можно в широких пределах изменять выходное напряжение "U" и ток ограничения (защиты) "I".
Устройство может работать в трех режимах, которые выбираются переключателем SA1 ("режим"):
1. ЗАРЯДКА — обеспечивается зарядка аккумуляторной батареи (АБ) стабильным током до момента, когда напряжение на аккумуляторе возрастет до величины 14,8 В. При этом ток зарядки может быть установлен любым в диапазоне 1 ...10 А.
2. ТРЕНИРОВКА — используется для предотвращения сульфатации пластин аккумулятора при его длительном хранении с залитым электролитом, например в зимний период. Устройство позволяет циклически выполнять процесс заряд-разряд в автоматическом режиме. Ток заряда может устанавливаться от 1...10 А, разряда — 0,8 А. Количество циклов не ограничено.
3. ПУСК — режим используется для запуска двигателя автомобиля. При этом устройство подключается параллельно с аккумулятором и обеспечивает ток до 100 А в непрерывном режиме. Что позволяет облегчить запуск двигателя в зимний период или при пониженной емкости аккумулятора в результате старения.
Электрическая схема зарядно-пускового устройства, рис. 4.14, состоит из следующих частей:
а) силового трансформатора Т1 мощностью около 1 кВт с выпрямителем, выполненным на тиристорах VS1, VS2;
б) источника питания для схемы управления на трансформаторе Т2 и стабилизаторах DA2, DA3;
в) схемы автоматического управления (DA1...DA4, ТЗ);
г) схемы контроля режимов (PV1, усилителя DA6 для измерения тока, РА1, HL1, HL2);
д) блока включения и защиты (К1, К2, DA5).
Таблица 4.1. Питающие напряжения на микросхемах
|
Номер и тип микросхемы |
Напряжение на выводах, В |
|||||||
|
2 |
4 |
6 |
7 |
9 |
11 |
12 |
13 |
|
|
DA1 КР140УД20А |
-15 |
+15 |
+15 |
|||||
|
DA4KP1114EУ4 |
ОП |
+15 |
||||||
|
DA5 К554САЗБ |
on |
-15 |
+15 |
ОП |
||||
|
ОА6К157УД1 |
-15 |
+15 |
||||||
Так как при зарядке автомобильной аккумуляторной батареи рекомендуют поддерживать средний зарядный ток постоянным, в качестве регулирующего элемента используются тиристоры. Они одновременно работают как управляемые выпрямители.
Для удобства изготовления схема управления питается от отдельного трансформатора Т2. С него же снимается и сигнал для синхронизации работы схемы с частотой сети (цепь из элементов VD6-R28-R33). Напряжения +15 В и -15 В, используемые для питания схемы управления, стабилизированы на микросхемах DA2 и DA3.
Блок автоматического управления работает следующим образом. Сигнал обратной связи по напряжению (Uoc) с выходных клемм (Х1, Х2) через резисторы R1-R4 поступает на вход интегратора DA1.1. Выходное усиленное напряжение суммируется с напряжением, установленным резистором R14, и поступает на вход DA4/15.
Микросхема DA4 (КР1114ЕУ4) предназначена специально для построения импульсных схем управления, что позволяет значительно упростить устройство. Она содержит полный набор функциональных узлов для выполнения широтно-импульсного управления (рис. 4.15) и внутри имеет: прецизионный источник опорного напряжения +5 В (ИОН); усилители ошибки (1 и 2), компараторы (3 и 4), схемы управления выходным каскадом на транзисторах и генератором пилообразного напряжения. Частота генератора задается внешним резистором R30 и конденсатором С15. Работа автогенератора синхронизируется с частотой сети при помощи транзистора VT1, сигнал на открывание которого поступает с выпрямителя VD6.
На выходе микросхемы DA4/8 формируется импульс напряжения, ширина которого зависит от положения регуляторов R19, R14. Так как для открывания тиристоров достаточно коротких импульсов, для их получения используется дифференцирующая цепь C18-R45. Эти импульсы усиливаются транзисторами VT2, VT3 и через гальванически развязывающий цепи импульсный трансформатор (ТЗ) поступают на управляющие выводы тиристоров (VS1, VS2).
функция стабилизации тока выполняется следующим образом. Сигнал обратной связи по току (loc), снимаемый с шунта Рш, через резистор R5 поступает на вход интегратора DA1/7. Интегратор усиливает напряжение в 10 раз, а также сглаживает пульсации. Сигнал с выхода DA1/10 смешивается с установленным резистором R14 напряжением. Разность этих напряжений поступает на вход (DA4/2) токоограничивающего усилителя. Внутри микросхемы производится сравнение приходящих на входы DA4/4 и DA4/2 сигналов и больший из них непосредственно влияет на ширину импульсов управления и, как следствие, на момент открывания тиристоров.
Контроль работы схемы выполняется по вольтметру PV1 и амперметру РА1.
Когда устройство используется в качестве пускового, амперметр РА1 подключается к шунту переключателем SA1 напрямую. При токе 100 А напряжение на шунте должно быть 75 мВ и его вполне достаточно для отклонения стрелки прибора на полную шкалу.
В случае же, когда рабочий ток необходим до 10 А (режим "зарядка" или "тренировка"), для его более точного измерения установлен усилитель (DA6) с коэффициентом 10 и стрелка амперметра РА1 сможет также отклоняться на полную шкалу.
Индикация режима работы устройства осуществляется светодиодами: свечение светодиода HL1 — работа, HL2 — устройство отключено и идет разряд аккумулятора током 0,8 А (в режиме тренировки).
Блок включения и защиты начинает работать при правильной полярности подключения аккумулятора к клеммам Х1, Х2. В этом случае, если включен автомат А1, при нажатии кнопки SB1 за счет тока, протекающего от аккумулятора через обмотку К1, резистор R67 и диод VD22, включится реле К1 и своими контактами (К1.1, К1.2) подаст питание на трансформатор Т1 и схему управления, а также заблокирует цепь кнопки (К1.3). Нетрудно заметить, что при неправильной полярности подключения аккумулятора диод VD22 будет закрыт и не позволит включиться репе К1.
На микросхеме DA5 собран компаратор напряжения, который в зависимости от выбранного переключателем SA1 режима управляет алгоритмом работы устройства, не допуская превышения напряжения на аккумуляторе выше заданного (резистором R41) уровня 14,8 В. Это действующее значение — амплитуда будет больше. Цепь из R48-VD17 обеспечивает гистерезис работы компаратора.
Рассмотрим теперь более подробно особенности работы зарядно-пускового устройства в разных режимах.
Режим "зарядка"
Необходимый ток заряда в режиме стабилизации тока устанавливается резистором R14 при положении регулятора напряжения R19 на максимум. Контроль зарядного тока выполняется по амперметру РА1.
Для осуществления заряда аккумуляторную батарею подключают к клеммам "+" (Х1) и "-" (Х2) устройства, соблюдая полярность. При нажатии на кнопку SB1 схема начнет работать. Как только выходное напряжение, установленное резистором R19, превысит уровень, имеющийся на аккумуляторе, в цепи его заряда от трансформатора (Т1) начинает протекать ток через шунт (Rш), создавая на нем напряжение. Это напряжение попадает на вход усилителя-интегратора обратной связи по току DA1.1. Оно будет меняться до тех пор, пока не скомпенсирует опорное напряжение, установленное на входе DA4/2 (это напряжение в свою очередь определяет момент открывания тиристоров, а значит и ток в силовой цепи).
Таким образом, стабилизация тока или напряжения в этом и других режимах работы устройства представляет собой процесс установки такого момента открывания тиристоров, при котором напряжение на выходе устройства через цепи обратной связи компенсирует опорное напряжение в определенной точке.
Если схема работает в режиме стабилизации тока, то по мере заряда аккумулятора напряжение на нем будет возрастать. Как только оно достигнет уровня 14,8 В, компаратор DA5 срабатывает и сигнал, поступающий с его выхода на вход DA4/4, прекращает формирование управляющих открыванием тиристоров импульсов.
Режим "тренировка"
Процесс тренировки в основном аналогичен процессу зарядки за исключением того, что когда переключатель SA1 установлен в соответствующий режим — компаратор DA5 следит за уровнем напряжения на аккумуляторе и при его превышении величины 14,8 В подает сигнал запирания на вход DA4/4. Что приводит к исчезновению импульсов (DA4/8), управляющих открыванием тиристоров. При этом также откроется транзистор VT5 и сработает реле КЗ. Оно своими контактами КЗ.1 подключит нагрузку (R68) для разряда аккумулятора. Резистор R68 обеспечивает разрядный ток 0,8 А.
Разряд будет происходить до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не снизится до величины 10,5 В. Как только эта произойдет, на выходе компаратора DA5 вновь появится нулевой уровень, что выключит реле КЗ и схема перейдет в режим зарядки аккумуляторной батареи. Этот процесс заряд-разряд будет периодически повторяться, а количество циклов не ограничено.
Режим "пуск"
В этом режиме не только ограничивается выходной ток устройства для того, чтобы защитить его от повреждения, ни и уровень выходного напряжения до безопасной для аккумулятора и бортовой сети величины.
Для работы в этом режиме регулятор тока R14 устанавливается на максимум, а резистором R19 устанавливаем по прибору PV1 напряжение 13...14 В.
Теперь можно вставить ключ в замок зажигания автомобиля и произвести запуск двигателя. При этом в зависимости от условий пуска стрелка РА1 может занимать разные положения на шкале, а его максимальное значение будет соответствовать 100 А. Стрелка вольтметра PV1 может отклоняться в сторону уменьшения.
Особенности сборки и конструкция
Корпус устройства имеет размеры 340х240х200 мм и выполнен из листового дюралюминия. Тиристоры VS1 и VS2 устанавливаются на радиаторы площадью около 1000 см кв. (стандартные радиаторы для этих тиристоров имеют как раз такую площадь поверхности).
Конструктивно часть деталей, выделенная на схеме пунктиром, кроме переключателя SA1, располагается на двухсторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 2,5...3,5 мм размером 145х110 мм, рис. 4.17...4.19.
Элементы VD5 и R8, R9 для увеличения плотности монтажа установлены под Т2, С5, С6 соответственно. Подстроенные резисторы закрепляются на плате друг над другом, как это показано на рис. 4.20.
Чтобы исключить замыкание печатных проводников при монтаже, под трансформатор ТЗ и подстроенные резисторы подкладывается диэлектрическая прокладка. Кроме того, на плате необходимо сделать две объемные перемычки между выводами DA5/2-DA4/7-VT1/3.
Соединение печатной платы с остальными деталями выполнено через разъем ХЗ типа РШ2Н-2-15 и контактные леп'естк^1 от любого миниатюрного разъема. Соединительные провода до регуляторов R14 и R19 должны быть в экране.
Монтаж силовой части (от трансформатора Т1 до тиристоров и клемм Х1, Х2) выполняется гибким многожильным проводом сечением не менее 8 мм кв., например марки ПВЗ.
В устройстве микросхемы могут быть заменены импортными аналогами DA1 — рА747С; DA2 — TL494L; DA3 — 78L15; DA4 — 79L15; DA5 — LM211 N; DA6 — нет аналогов.
Диоды типа КД521, установленные на входах микросхем, предотвращают их случайное повреждение в процессе настройки схемы и могут быть заменены любыми маломощными импульсными: КД522, КД510, КД503 и др.
Подстроечные резисторы (R38, R40, R41, R44) для удобства настройки применены многооборотные типа СП5-3, регулировочные R14, R19 типа СПЗ-4а-0,25 Вт с линейной характеристикой (А) изменения сопротивления, остальные могут быть любого типа, например МЛТ — соответствующей мощности.
Полярные конденсаторы С10, С11, С13, С14 и С17типа К50-35;
СЗ, С4 типа К42У-2 на 0,015 мкФ на 630 В; остальные из серии К10 или КМ-6.
В качестве измерительных приборов использованы стрелочный вольтметр PV1 и амперметр РА1 одного и того же типа М42301. Так как амперметр имеет внутренний шунт— потребуется вскрыть корпус и его удалить. Ведь в схеме для измерения тока 100 А используется внешний шунт (Rш). Шунт Rш взят стандартный типа 75ШСМ-100-0,5.
Включатель А1 (токовый автомат) — типа АЕ10-31 на ток 10 А, переключатель SA1 типа ПГЗ (ПГ2), кнопка SB1 подойдет любая.
Реле К1 типа KP460DC на 12 В (польского производства) или аналогичное с тремя группами переключающих контактов, рассчитанных на ток до 5 А. Реле К2 и КЗ типа РЭС47 паспорт РС4.500.407-01 (РС4.500.407-03).
Для изготовления Т1 использовано трансформаторное железо с сечением в месте расположения обмотки 8ст=35 см кв. (окно имеет площадь Sок=72 см кв.). Первичная обмотка содержит 240 витков проводом ПЭТВ сечением 2,5 мм кв. (диаметр 1,8 мм), вторичная 22+22 витка проводом ПШВ-3 сечением 10 мм кв.
Трансформатор Т2 любой маломощный (Р — 5 Вт) с напряжениями во вторичных обмотках 3-4-5 — 18+18 В, а в 6-7-8 — 10+10 В но лучше, если его конструкция будет предусматривать установку на печатную плату.
Импульсный трансформатор ТЗ выполняется на каркасе внутри броневых чашек типоразмера Б28 из феррита марки М2000НМ. Обмотки содержат 1-2—80 витков, 3-4 — 40 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,35 мм.
Настройка схемы
Для настройки необходимы осциллограф, цифровой вольтметр, эквивалентная нагрузка RH (проволочный резистор сопротивлением 1...1.2 Ом и мощностью не менее 100 Вт, например подойдет нихромовая проволока диаметром 0,5...1 мм), а также внешний стрелочный амперметр (РА2) на ток до 10 А, см. рис. 4.21.
Элементы, отмеченные на электрической схеме звездочкой "*", могут потребовать подбора. Добавочный резистор R67 в цепи реле
подбирается такой величины, чтобы якорь реле К1 после срабатывания отпускался при напряжении питания меньше 10 В (лучше это сделать до того, как резистор и реле будут установлены в схему).
Предварительная настройка схемы выполняется в следующей последовательности. Нужно временно заблокировать перемычками контакты реле К1.1 и К1.2, а также отпаять R36. Переключатель SA1 установить в положение "тренировка", а резисторы R14 и R19 вывести на максимум.
Включив сетевое питание (А1) с помощью осциллографа, проконтролировать форму пилообразного напряжения на выводе DA4/5 — оно не должно иметь большой ступеньки на нулевом уровне, см. рис. 4.16, а (для этого может потребоваться подбор резистора R28). После чего осциллографом и цифровым вольтметром контролируем напряжение на клеммах Х1 и Х2. Форма напряжения на выходе должна соответствовать показанной на рис. 4.16, б и регулироваться резисторами R44 и R19. Если это не так, то следует проверить наличие импульсов на выходе DA4/8 и правильность монтажа.
Подстроечным резистором R44 устанавливаем момент открывания тиристоров Uоткр=15,5 В. Это необходимо для того, чтобы во всех режимах работы устройства амплитудное значение напряжения на выходе превышало напряжение на аккумуляторе (иначе тиристоры не будут открываться).
Выключив устройство, подпаиваем на место R36. После этого при включенной схеме регулятором R19 выставляем действующее напряжение на выходе устройства 14,8 В и подбором резистора R36 добиваемся того, чтобы при достижении на выходе этого напряжения компаратор DА5 переключался — на выводе DA5/9 появится +15 В (светодиод HL1 будет светиться).
После этого регулятором R19 устанавливаем на выходе устройства напряжение 10,5 В и подстройкой резистором R41 добиваемся, чтобы при достижении на клеммах Х1-Х2 этого напряжения у компаратора появлялось нулевое напряжение на выходе DA5/9 (резистор R41 задает величину гистерезиса для компаратора).
Для того, чтобы регуляторами, установленными на передней панели, было удобно пользоваться, т.е. диапазон регулировки выходного напряжения резистором R19 оставался в интервале 10...15 В — необходимо подобрать добавочные резисторы R15 и R24. Аналогично подбираются и резисторы R10 и R23для диапазона регулировки резистором R14 уровня стабилизации тока в диапазоне 1...10 А. В этом случае допустимые режимы для аккумулятора не будут превышены.
Резистор R19 используется для регулировки напряжения на клеммах Х1 -Х2 в режиме "пуск", в остальных же режимах он устанавливается на максимальное выходное напряжение, так как схема в этих режимах должна работать как стабилизатор тока (выходное напряжение будет зависеть от величины тока) и по мере заряда аккумулятора напряжение на нем будет возрастать, но не превысит допустимого значения.
Для калибровки показаний амперметра РА1 в режимах "заряд" и "тренировка" необходимо резистором R38 установить стрелку прибора на "0". После чего подключаем нагрузку Rн (включателем SA2) и внешний стрелочный амперметр (РА2), рис. 4.20. Резистором R14 (при положении R19 на максимуме) выставить по внешнему амперметру РА2 ток 10 А, а резистором R40 надо установить такое же значение показаний тока на РА1.
Эту операцию следует повторить несколько раз, подстраивая R38 и R40 до тех пор, пока стрелка РА1 при "0" и при токе 10 А будет соответствовать показаниям внешнего амперметра.
Теперь необходимо проверить работу схемы в режиме стабилизации тока. Для этого на момент включения устройства блокируем контакты К1.1, К1.2. Переключатель SA1 установить в положение "пуск", регулятор тока "I" в среднее положение, a "U" на максимум. К выходным клеммам Х1-Х2 подключаем нагрузку сопротивлением около 0,2 Ом (по мощности она должна быть рассчитана на протекающий ток до 100 А). При этом показания приборов должны быть: РА1 — 50 А, PV1 — 10В. Регулятором "I" можно менять выходной ток— в этом случае будет меняться и выходное напряжение, что соответствует режиму стабилизации тока. А при изменении сопротивления нагрузки в небольших пределах ток не должен меняться.
На этом предварительную регулировку можно считать законченной, а окончательная проверка выполняется на реальном аккумуляторе.
Рис. .4.15 Структурная схема микросхемы КР1114ЕУ4
Рис. 4.13 Внешний вид передней панели
Рис. 4.14 Принципиальная схема автоматического зарядно-пускового устройства для автомобильного аккумулятора
Рис. 4.16 Форма напряжения на контрольных точках
Рис. 4.17 Топология печатной платы со стороны монтажа
Рис. 4.18Топология печатной платы со стороны установки деталей
Рис. 4.19 Расположение эементов на плате
Рис. 4.20 Установка подстроечных резисторов на плате
Рис. 4.21 Подключение цепей устройства при настройке схемы
9. Микросхемы-стабилизаторы напряжения.
МИКРОСХЕМЫ - СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Одним из важных узлов любой радиоэлектронной аппаратуры является стабилизатор напряжения питания. Еще совсем недавно такие узлы строились на стабилитронах и транзисторах. Общее число элементов стабилизатора было довольно значительным, особенно, если от него требовались функции регулировки выходного напряжения, защиты от перегрузки и короткого замыкания, ограничения выходного тока на заданном уровне. С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Современные микросхемы стабилизаторов напряжения выпускаются на широкий диапазон выходных напряжений и токов, они имеют встроенную защиту от перегрузки по току и от перегрева - при нагреве кристалла микросхемы свыше допустимой температуры она закрывается и ограничивает выходной ток. В табл. 2 приведен перечень наиболее распространенных на отечественном рынке микросхем линейных стабилизаторов напряжения на фиксированное выходное напряжение и их некоторые параметры, на рис. 92 - разводка выводов. Буквы хх в обозначении конкретной микросхемы заменяются на одну или две цифры, соответствующие напряжению стабилизации в вольтах, для микросхем серии КР142ЕН - на цифробуквенный индекс, указанный в таблице. Микросхемы зарубежных изготовителей серий 78хх, 79хх, 78Мхх, 79Мхх, 78Lxx, 79Lxx могут иметь различные префиксы (указывают фирму-изготовитель) и суффиксы, определяющие конструктивное оформление (оно может отличаться от приведенного на рис. 92) и температурный диапазон. Следует иметь ввиду, что сведения о рассеиваемой мощности при наличии теплоотвода в паспортных данных обычно не указаны, поэтому здесь даны некоторые усредненные величины из графиков, приведенных в документации. Отметим также, что для микросхем одной серии, но на разные напряжения, значения рассеиваемой мощности могут также отличаться друг от друга. Более подробные сведения о некоторых сериях отечественных микросхем можно найти в литературе [10 - 14]. Исчерпывающая информация по микросхемам для линейных источников питания опубликована в [15].
Типовая схема включения микросхем на фиксированное выходное напряжение приведена на рис. 93. Для всех микросхем емкость конденсатора С1 должна быть не менее 2,2 мкФ для керамических или танталовых и не менее 10 мкФ для алюминиевых оксидных
конденсаторов. Емкость конденсатора С2 должна быть не менее 1 и 10 мкФ для аналогичных типов конденсаторов соответственно. Для некоторых микросхем емкости могут быть и меньше, но указанные величины гарантируют устойчивую работу для любых микросхем. В каче
стве С1 может использоваться сглаживающий конденсатор фильтра, если он расположен не далее 70 мм от микросхемы. В [15] можно найти множество схем включения для различных вариантов использования микросхем - для обеспечения большего выходного тока, подстройки выходного напряжения, введения других вариантов защиты, использования микросхем в качестве генератора тока.
Если необходимы нестандартное напряжение стабилизации или плавная регулировка выходного напряжения, удобно использовать трехвыводные регулируемые микросхемы, поддерживающие напряжение 1,25 В между выходом и управляющим выводом. Их параметры приведены в табл. 3, а типовая схема включения для стабилизаторов положительного напряжения - на рис. 94.
Резисторы R1 и R2 образуют внешний регулируемый делитель, входящий в цепь установки выходного напряжения Uвых. которое определяется по формуле:
где Iпотр - собственный ток потребления микросхемы, составляющий 50...100 мкА. Число 1,25 в этой формуле - это упомянутое выше напряжение между выходом и управляющим выводом, которое поддерживает микросхема в режиме стабилизации.
Следует иметь ввиду, что, в отличие от стабилизаторов на фиксированное выходное напряжение, регулируемые микросхемы
без нагрузки не работают. Минимальное значение выходного тока таких микросхем составляет 2,5... 5 мА для маломощных микросхем и 5...10 мА - для мощных. В большинстве применений для обеспечения необходимой нагрузки достаточно тока делителя R1R2.
Принципиально по схеме рис. 94 можно включать и микросхемы с фиксированным выходным на
пряжением, но их собственный ток потребления значительно больше (2...4 мА) и он менее стабилен при изменении выходного тока и входного напряжения.
Для снижения уровня пульсаций, особенно при высоких выходных напряжениях, рекомендуется включать сглаживающий конденсатор С2 емкостью 10 мкФ и более. К конденсаторам С1 и CЗ требования такие же, как и к соответствующим конденсаторам для микросхем с фиксированным выходным напряжением.
Диод VD1 защищает микросхему при отсутствии входного напряжения и подключении ее выхода к источнику питания, например, при зарядке аккумуляторных батарей или от случайного замыкания входной цепи при заряженном конденсаторе СЗ. Диод VD2 служит для разрядки конденсатора С2 при замыкании выходной или входной цепи и при отсутствии С2 не нужен.
Приведенные сведения служат для предварительного выбора микросхем, перед проектированием стабилизатора напряжения следует ознакомиться С полными справочными данными, хотя бы для того, чтобы точно знать максимально допустимое входное напряжение, достаточна ли стабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения, выходного тока или температуры. Можно отметить, что все параметры микросхем находятся на уровне, достаточном для подавляющего числа случаев применения в радиолюбительской практике.
Заметных недостатков у описанных микросхем два - довольно высокое минимально необходимое напряжение между входом и выходом - 2...3 В и ограничения на максимальные параметры -входное напряжение, мощность рассеяния и выходной ток. Эти недостатки часто не играют роли и с лихвой окупаются простотой применения и низкой ценой микросхем.
Несколько конструкций стабилизаторов напряжения с использованием описанных микросхем рассмотрено далее.
Рис. 92 Разводка выводов микросхем стабилизаторов напряжения
Рис. 93 Типовая схема включения микросхем на фиксированное выходное напряжение
Рис. 94 Типовая схема включения регулируемых микросхем стабилизаторов положительного напряжения
Таблица 2. Наиболее распространенные на отечественном рынке микросхемы линейных стабилизаторов напряжения
Таблица 3. Трехвыводные регулируемые микросхемы стабилизаторов напряжения
Ф.1 Определение напряжения на выходе делителя
10. Лабораторные блоки питания.
ЛАБОРАТОРНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ
При настройке аппаратуры в радиолюбительской практике полезно иметь стабилизированные источники питания с плавной регулировкой выходного напряжения от нуля, что реализовано в описываемых далее устройствах. Максимальный выходной ток блоков - 1 А, для второго варианта ограничение тока может быть плавно установлено от единиц миллиампер до указанной величины. Блоки защищены от перегрузки и перегрева элементами использованной микросхемы КР142ЕН12А.
Принципиальная схема первого варианта блока приведена на рис. 95. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора Т1 выпрямляется диодным мостом VD1, сглаживается конденсатором С3 и стабилизируется микросхемой DA1. Для уменьшения рассеиваемой на микросхеме мощности вторичная обмотка выполнена с отводами, выбираемыми переключателем SA1. В верхнем и среднем положениях SA1 (диапазоны выходных напряжений 13...20 и 6,5...13,5 В) включение микросхемы DA1 стандартно. На диапазоне О...7 В нижний по схеме вывод переменного резистора R3 подключен к
источнику питания -1,25 В, собранному на микросхеме DA2. В результате выходное напряжение микросхемы DA1 сдвинуто на 1,25 В вниз и регулируется от нуля.
В конструкции использован трансформатор ТН32, имеющий четыре вторичные обмотки по 6,3 В. Для источника отрицательного напряжения свободной обмотки нет, поэтому его выпрямитель собран по нестандартной схеме на диодах VD2 и VD3. Внешне она напоминает выпрямитель с удвоением напряжения, но ни один из выводов вторичных обмоток трансформатора Т1 не подключен к общему проводу.
При такой схеме выпрямителя напряжение на конденсаторе С7 примерно равно полной амплитуде (от пика до пика) напряжения относительно общего провода на том отводе вторичной обмотки, к которому подключен конденсатор С4. Поскольку с общим проводом при одном полупериоде соединяется один из выводов вторичной обмотки, а при следующем - другой, амплитуда напряжения на выбранном отводе зависит от положения переключателя SA2. В результате на диапазоне 0... 7 В напряжение на конденсаторе С7 соответствует по абсолютной величине напряжению на конденсаторе С6 (примерно 12... 15 В), составляет около 5 В при среднем положении SA2 и равно нулю при верхнем положении.
Интересна роль резистора R1. Для нормальной работы выпрямителей необходимо, чтобы токовая нагрузка моста VD1 по крайней
мере в два раза превышала нагрузку VD2, VD3, что и обеспечивает этот резистор. Без него после включения зарядившиеся до своих нормальных напряжений конденсаторы С3 и С7 начинают перезаряжаться - напряжение на конденсаторе СЗ медленно повышается, на конденсаторе С7 - падает.
Конденсаторы С1, С2, С5 и С6 устраняют высокочастотные помехи, возникающие в момент закрывания диодов, С8 уменьшает выходное сопротивление блока по переменному току и снижает выбросы напряжения на выходе в моменты переключения диапазонов. Диоды VD4 - VD6 защищают микросхемы при переходных процессах и в аварийных режимах.
Почти все элементы блока размещены на печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 96). Использованы резисторы МЛТ, R3 - проволочный, типа ППЗ-40. Последовательно с ним можно установить еще один переменный резистор сопротивлением 51 Ом, что облегчит точную установку значения выходного напряжения. Оксидные конденсаторы - импортные аналоги К50-35, СЗ установлен параллельно печатной плате. Плата позволяет использовать и отечественные указанного типа, однако в этом случае в качестве СЗ придется установить четыре конденсатора 1000 мкфх40 В. Возможно использование и конденсаторов с осевыми выводами, для чего на плате предусмотрены соответствующие отверстия.
Остальные конденсаторы - КМ-6, К 10-17 или другие керамические. При монтаже блока были использованы диоды 1N4001 от разобранного импортного устройства, их вполне можно заменить на любые малогабаритные импульсные или выпрямительные диоды, например, КД103А или КД522Б. Вместо VD1 подойдет любой выпрямительный мост на выходной ток не менее 1 А, например, КЦ402 или КЦ405 с любыми буквенными индексами, кроме Ж и И. Мост можно собрать и из любых диодов на рабочий ток 1 А, например, КД243А -Ж (отечественный аналог диодов 1N4001 - 1N4007).
Микросхема DA1 установлена на игольчатый теплоотвод размерами 20 х 80 х 55 мм, он закреплен на печатной плате двумя винтами М2,5 и выступает за ее габариты.
Плата, трансформатор и остальные элементы устройства установлены в пластмассовую коробку размерами 70х95х150 мм. При этом теплоотвод расположен у боковой стенки большего размера. В ней напротив теплоотвода просверлено 35 вентиляционных отверстий диаметром б мм с шагом 10 мм.
Выключатель SA1 и предохранитель FU1 установлены на боковой стенке, микроамперметр РА1 (М4248 на 100 мкА), переключатель SA2 (ПГ2-17-ЗП4Н), резистор R3 и выходные гнезда - на крышке.
Настройка блока сводится к подбору резисторов R2, R4, R5 для получения на выходе напряжений, указанных на схеме у переключателя SA1. Если резисторы установлены с допуском 5%, то подбор может потребоваться только для R2, его удобно установить указанной на схеме величины и подбирать параллельно подключаемый ему резистор. Резисторы R6, R7 необходимы для точной установки выходного напряжения 0 В для случая, когда выходное напряжение микросхемы DA2 меньше (по абсолютной величине), чем DA1. При указанном сопротивлении R7 увеличение сопротивления резистора R6 на 1 Ом уменьшает напряжение на выходе блока на 0,5 мВ. Если такая точность установки нулевого напряжения не нужна или выходное напряжение микросхемы DA2 больше, чем DA1, вместо резистора R6 следует поставить перемычку.
Если не требуется регулировка выходного напряжения от нуля или микросхемы КР142ЕН18А нет, часть элементов устройства, расположенных по схеме рис. 95 ниже общего провода, не устанавливают.
Самостоятельно трансформатор для рассматриваемого блока удобно изготовить, используя в качестве основы трансформатор питания от лампового радиоприемника, радиолы или телевизора. Все вторичные обмотки такого трансформатора следует аккуратно смотать (они обычно намотаны поверх первичной). При этом следует подсчитать число витков накальной обмотки, она намотана самым
толстым проводом. После этого следует намотать изолированным проводом диаметром 0,7...0,9 мм три обмотки - первую (выводы 9 -13 на рис. 95) с вдвое большим числом витков, чем у накальной, и две с таким же, как накальная (выводы 7 - 8 и 14 -16). Если у используемого трансформатора две различных накальных обмотки, следует ориентироваться на обмотку с большим числом витков. Обмотка с меньшим числом витков служила для питания нити накала кенотрона, напряжение на ней - 5 В.
При изготовлении трансформатора для источника отрицательного напряжения лучше намотать еще одну обмотку проводом диаметром 0,15...0,3 мм с тем же, что и остальные, или несколько меньшим числом витков. В этом случае выпрямитель для него можно сделать по однополупериодной схеме, а стабилизатор - на микросхеме КР142ЕН12А. Из двух однотипных микросхем можно выбрать одну с меньшим напряжением стабилизации и установить ее на место DA1, резисторы R6 и R7 при этом становятся излишними.
Схема второго варианта блока питания приведена на рис. 97. Основное отличие от описанного выше блока заключается во введении операционного усилителя DA2 и установке микросхемы стабилизатора отрицательного напряжения -6 В вместо -1,25 В. Пока выходной ток достаточно мал и падение напряжения на токоизмерительном резисторе R2 меньше, чем установлено резистором R3, на
выходе 6 ОУ напряжение близко к напряжению на входе микросхемы DA1 (вывод 2), диод VD4 закрыт и ОУ не участвует в работе устройства. Если падение напряжения на R2 станет больше, чем на R3, напряжение на выходе DA2 снизится, откроется диод VD4, напряжение на выходе блока уменьшится до ограничения тока до установленной величины. Переход блока в режим стабилизации тока индицируется включением светодиода HL1.
Так как в режиме короткого замыкания напряжение на выходе ОУ должно быть меньше, чем -1,25 В, на величину падения напряжения на диоде VD4 и светодиоде HL1 (около 2,4 В в сумме), то напряжение отрицательного источника питания ОУ выбрано равным -6 В. Это напряжение необходимо при всех положениях SA2, пришлось переключать и вход выпрямителя VD2, VD3.
Микросхему КР1168ЕН6Б можно заменить на аналогичную с индексом А, на 79L06, а также на КР1162ЕН6А(Б), КР1179ЕН06, 7906, но у них габариты и расстояние между выводами больше (как у КР142ЕН12А), цоколевка совпадает. Микросхема К140УД6 заменима на КР140УД608, К140УД7, КР140УД708. Светодиод HL1 может быть любого типа красного свечения. В качестве R2 автор установил четыре параллельно соединенных резистора С2-29 2 Ом, 0,125 Вт. К точности этого резистора никаких требований нет, его можно изготовить и самостоятельно из отрезка высокоомного провода. Резистор R12 - СПЗ-19а. Остальные элементы - те же, что и в первом
варианте блока, аналогично и конструктивное оформление. Чертеж печатной платы приведен на рис. 98.
Сопротивления резисторов R3 и R4 могут отличаться от указанных на схеме в два раза, важно лишь, чтобы их соотношение было сохранено 1:10. Резистор R3 можно также заменить на два последовательно включенных, причем сопротивление второго должно составлять 5...10% от первого, это облегчит точную установку тока ограничения.
При настройке блока подбором резистора R7 устанавливают выходное напряжение 20 В и регулировкой R12 - О В. Поскольку эти регулировки взаимозависимы, их надо повторить несколько раз.
При пользовании источником в режиме стабилизатора тока переключатель SA2 следует устанавливать в положение, соответствующее минимальному напряжению, при котором в нагрузке обеспечивается необходимый ток. Блок будет стабилизировать ток и при положении SA2, обеспечивающем большее напряжение, но мощность, выделяемая на микросхеме DA1, может превысить предельно допустимую.
Рис. 95 Принципиальная схема первого варианта лабораторного блока питания
Рис. 96 Печатная плата первого варианта лабораторного блока питания
Рис. 97 Принципиальная схема второго варианта лабораторного блока питания
Рис. 99 Печатная плата второго варианта лабораторного блока питания
11. Сетевые адаптеры.
СЕТЕВЫЕ АДАПТЕРЫ
В магазинах, киосках подземных переходов, на радиорынках можно купить так называемые адаптеры, оформленные в виде большой сетевой вилки. Независимо от названия фирмы они, как правило, китайского производства. Адаптеры бывают двух видов -"универсальные" и специализированные. Универсальный адаптер
(рис. 99) содержит понижающий трансформатор Т1 с большим числом отводов вторичной обмотки, переключатель SA1, выпрямительный мост, обычно из диодов 1N4001 (50 В, 1 А), сглаживающий конденсатор С1, индикатор включения в сеть - светодиод HL1 с ограничительным резистором R1, переключатель полярности выходного напряжения SA2 и набор выходных разъемов на конце кабе-
ля (условно показан только один - Х2). Число положений переключателя может быть меньшим, может отсутствовать индикатор включения в сеть. Специализированные адаптеры не имеют отводов вторичной обмотки, переключателя полярности. выходной разъем.
только один, как правило, нет индикатора включения.
Надписи на адаптерах обещают очень хорошие характеристики, не подтверждающиеся, однако, на практике. На рис. 100 - 104 приведены зависимости выходного напряжения и напряжения пульсации от выходного тока при напряжении сети 205 В для семи типов адаптеров, перечисленных в табл. 4. Выходные напряжения и токи в таблице указаны в соответствии с надписями на корпусе.
Какие выводы можно сделать из изучения этих характеристик? Во-первых, заявленные значения выходных напряжений обеспечиваются при выходных токах, значительно меньших, чем указано на корпусе - в два раза и более. Минимальное напряжение (1,5 и 3 В) адаптеры фирмы "FIRST" выдают при токах, составляющих 5% от приведенных на корпусе. Во-вторых, при токе, соответствующем максимальному, выходные напряжения падают в полтора-два раза (и более для малых выходных напряжений) относительно указанного.
Характеристику универсального адаптера SLD MW108 удалось снять только для положения переключателя выходного напряжения "12 В" (рис. 103). Во время измере-
ний трансформатор разогрелся до такой степени, что начала плавиться изолирующая пленка, намотанная поверх обмоток (и это при снятой верхней половине корпуса).В то же время при подаче на первичную обмотку напряжения 150 В трансформатор без нагрузки практически не нагревался. Это говорит о том, что трансформатор рассчитан неправильно (если он вообще кем-то был рассчитан). Кроме того, уменьшение выходного напряжения при увеличении тока весьма велико, что говорит о большом сопротивлении обмоток трансформатора.
Лучшими параметрами, прежде всего наименьшим выходным сопротивлением, обладал адаптер PPI-1280-TUV. Им комплектовались активные громкоговорители для IBM PC. Адаптеры RW-900 и 28, по утверждению продавца, подходили только для приставок "Dendy". Их
выходное сопротивление существенно больше. Из сравнения этих трех близких по заявленным характеристикам устройств можно сделать достаточно однозначный и очевидный вывод - чем больше масса адаптера, тем меньше его выходное сопротивление.
На рис. 103 приведена также характеристика для "адаптера", собранного из стандартного трансформатора ТПП211 [16] с включенными последовательно вторичными обмотками и диодного моста с конденсатором 1000 мкФ от одного из адаптеров. Выходное сопротивление его существенно меньше, чем у RW-900 или *28, но и масса намного больше.
При использовании адаптеров надо иметь ввиду, что приведенные на рис. 100 - 104 графики иллюстрируют зависимости для среднего
выходного напряжения. Реально на него наложено напряжение пульсации, причем его форма при малых токах близка к пилообразной. На рис. 104 приведены зависимости двойной амплитуды пульсации (от пика до пика) от выходного тока для части испытанных устройств. Для адаптеров фирмы "FIRST" приведены зависимости для двух положений переключателя SA1 - верхняя кривая соответствует положению "12", нижняя - "б". Как видно из этих графиков, зависимость амплитуды пульсации от тока определяется в основном емкостью конденсатора фильтра.
Даже при токах, составляющих всего 10% от максимальной величины, напряжение пульсации имеет величину порядка 0,5 В, что слишком много для питания какой-либо радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому использовать адаптеры без многократного увеличения емкости фильтрующего конденсатора или без стабилизаторов напряжения практически нельзя. Наиболее просто в качестве стабилизатора на фикси
рованное напряжение с "круглым" значением использовать микросхемы КР142ЕН5 и КР142ЕН8 с соответствующими буквенными индексами. Если требуемое выходное напряжение не является "круглым", можно использовать микросхему КР142ЕН12А(Б).
Определить пригодность того или иного адаптера для построения блока питания можно следующим образом. При необходимом выходном токе (лучше, если он не превышает половины предельного для данного адаптера) напряжение на выходе адаптера при минимальном напряжении сети должно превышать выходное на половину
напряжения пульсации плюс минимально допустимое напряжение вход-выход используемой микросхемы (около 2...2,5 В).
В качестве примера на рис. 105 приведена схема заряднопитающего устройства для портативного радиоприемника на микросхеме К174ХА10, в котором установлены четыре аккумулятора ЦНК-0,45. Выходное напряжение 5,6 В устанавливается подстроечным резистором R3, а максимальный ток зарядки (примерно 150 мА) - подборкой резистора R1 при подключении к выходу блока разряженной аккумуляторной батареи. Конденсатор С1 устраняет высокочастотные помехи, возникающие в момент закрывания диодов выпрямительного моста. Блок удобен тем, что зарядка аккумуляторов происходит быстро (4...6 ч), и перезарядить аккумуляторы невозможно.
Блок собран на основе адаптера RW-900. Чертеж печатной платы приведен на рис. 106. Использованы резисторы МЛТ, они установлены на плате вертикально, R3 - типа СПЗ-19а. Конденсатор С2 и диоды VD1 - VD4 - от адаптера,
остальные конденсаторы - КМ-6. В качестве С4 можно установить любой оксидный емкостью не менее 10 мкФ. На месте VD5 можно использовать практически любой выпрямительный или импульсный диод.
Микросхема DAl установлена на ребристый теплоотвод размерами 10 х 18 х 38 мм от промышленного устройства. Для хорошего охлаждения теплоотвода и трансформатора в нижней и верхней стенках корпуса адаптера (ориентация при включении его в настенную розетку) просверлены по шесть отверстий диаметром 6 мм.
Если ограничивать выходной ток не требуется, резистор R1 и конденсатор СЗ можно исключить. В таком варианте максимальный выходной ток изготовленного блока питания составлял 0,5 А при напряжении пульсации около 1 мВ. По приведенной схеме, подобрав сопротивления резисторов R3 и R4. можно изготовить блок на любое выходное напряжение в пределах, допустимых трансформатором адаптера.
Используя универсальный адаптер, можно изготовить стабилизированный блок питания с переключаемым выходным напряжением. Схема доработанного адаптера FIRST ITEM N0:57 приведена на рис. 107. Вторичная обмотка трансформатора Т1 использована полностью, ее отводы заизолированы. Включение микросхемы DAl стандартное, назначение диодов VD5 и VD6 такое же, как и в предыдущей конструкции.
Диоды VD1 - VD4, конденсатор С2, светодиод HL1 и переключатели SA1 и SA2 использованы от адаптера. Резисторы R3 - R8 не обязательно должны иметь указанные сопротивления, они могут отличаться в любую сторону в 1,5 раза. Важно, чтобы сопротивления R3 - R7 были равны между собой с точностью 1...2 %, а сопротивление R8 было вдвое большим, поскольку ими определяется погрешность установки выходных напряжений.
Все элементы устройства, кроме трансформатора Т1, установлены на печатной плате (рис. 108). Для сверления крепежных отверстий
и отверстий для установки переключателей и светодиода удобно применить в качестве трафарета печатную плату от используемого адаптера. Для того, чтобы выпаять переключатель из платы и при этом не повредить ее, надо, прогревая паяльником одновременно несколько соседних контактов, изгибать плату. Переходя постепенно к другим контактам, можно выпаять переключатель целиком.
Микросхема DAl установлена на медную пластину размерами 52 х 38 мм и толщиной 1 мм, выполняющую роль теплоотвода. Она имеет отогнутый край для крепления на плате, а по ее периметру просверлены отверстия диаметром 4 мм для обеспечения вентиляции корпуса. Для тех же целей в верхней и нижней стенках корпуса просверлено по восемь отверстий диаметром 6 мм.
Настройка адаптера заключается в установке выходных напряжений без нагрузки подборкой резисторов R2 и R9. Можно сразу поставить резистор R9 указанного на схеме сопротивления, а параллельно ему и вместо R2 впаять переменные резисторы сопротивлением 10кОм и 56Ом соответственно. Подстройкой резистора, подключенного параллельно R9, устанавливают выходное напряжение 12 В, резистором R2 - 1,5 В. Поскольку эти установки взаимосвязаны, их надо повторить несколько раз. После этого устанавливают постоянные резисторы с подобранными сопротивлениями, причем резистор параллельно R9 подпаивают со стороны печатных проводников.
Изготовленный экземпляр стабилизированного адаптера обеспечивал выходной ток до 200 мА. При напряжении 12 В ток ограничен появлением пульсации, при меньших - нагревом микросхемы DAl. Увеличением поверхности теплоотвода можно суще-
ственно увеличить выходной ток при малых выходных напряжениях.
Нередко многие импортные радиоэлектронные устройства комплектуются адаптерами, рассчитанными на подключение к сети 120 В. Использовать такие адаптеры можно, включая их, по крайней мере, четырьмя способами (рис. 109). Самый простой, но обладающий наименьшим КПД, вариант - рис. 109,а. Сопротивление резистора R1 можно рассчитать, а можно и подобрать, что проще.
Для иллюстрации методики подбора рассмотрим различные варианты включения на примере адаптера Panasonic KX-A09, которым комплектуются бесшнуровые телефоны КХ-ТС910-В. На корпусе адаптера указано, что его входное напряжение 120 В при частоте 60 Гц. Выходные параметры -12 В 200 мА постоянного тока. Потребляемая от сети мощность составляет 6 Вт.
На частоте 50 Гц входное напряжение
должно быть снижено примерно до 105 В (почти пропорционально снижению частоты). Поэтому от адаптера уже нельзя получить полное паспортное выходное напряжение, и скорее всего, его нельзя будет использовать для питания того устройства, в комплект которого он входил. Если же на адаптере указана рабочая частота сети 50...60 Гц, его, естественно, можно будет применить по назначению.
На рис. 110 приведена зависимость выходного напряжения рассматриваемого адаптера от выходного тока при входном напряжении 105 В (кривая 1). Оно изменяется от 15,2 В при нулевом токе нагрузки до 10,5 В при 200 мА. Поэтому для получения сопоставимых результатов все элементы схем рис. 109 в дальнейшем подбирались так, чтобы обеспечить выходное напряжение 11,8 В при выходном токе 120 мА (одна из точек графика рис. 110,а, сопротивление нагрузки 98 Ом).
Для подбора резистора в схеме рис. 109,а вначале следует оценить его необходимую величину по приближенной формуле R1 =U^2/P, где U - напряжение на этом резисторе (120 В), Р - рассеиваемая им мощность, примерно равная потребляемой адаптером. Для данного случая R1 = 120^2/6 =2400 Ом. На всякий случай следует взять вначале
резистор с полуторакратным запасом по сопротивлению. Далее, подключив необходимую нагрузку (98 Ом) и постепенно уменьшая сопротивление R1, добиться необходимого напряжения на выходе
адаптера. Лучше, конечно, использовать проволочный переменный резистор на соответствующую мощность.
В данном примере для получения необходимого выходного напряжения потребовался резистор сопротивлением 24400м. Хорошее совпадение с расчетной величи-
ной - случайность, поскольку формула не учитывает индуктивной составляющей сопротивления первичной обмотки трансформатора адаптера, а значение потребляемой мощности задано также весьма приближенно.
Для такого сопротивления резистора R1 была снята зависимость выходного напряжения от тока нагрузки (рис. 110, кривая 2). Видно, что напряжение падает с увеличением тока более резко - с 22,5 до 9 В.
Для уменьшения потерь параллельно первичной обмотке трансформатора адаптера был подключен конденсатор, емкость которого подбиралась для обеспечения резонанса. На рис. 111 приведена зависимость напряжения на нагрузке от емкости конденсатора. Резонанс хотя и заметен, но его роль ничтожна - подъем напряжения составляет около 1,5%. Для сохранения выходного напряжения на заданном уровне при емкости С1=0,44 мкФ сопротивление резистора R1 было увеличено до 2570 Ом.
Нагрузочная характеристика адаптера (рис. 110, кривая 3) мало отличалась от кривой 2.
Вполне естественно заменить резистор R1 на конденсатор. При сохранении С1=0,44 мкФ емкость конденсатора С2 потребовалась равной 0,54 мкФ. Нагрузочная кривая для этого случая менее крута (кривая 4 на рис.
110), напряжение изменяется от 20,3. до 9,5 В.
В еще большей степени уменьшить зависимость выходного напряжения от тока можно, увеличив емкости конденсаторов С1 и С2. Для примера при произвольно выбранной емкости С1=1 мкФ подобранная для обеспечения заданно-
го напряжения емкость конденсатора С2 составила 0,67 мкФ, при этом выходное напряжение в зависимости от тока изменяется от 18,3 до 9,8 В (кривая 5 на рис. 110).
С другой стороны, если стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки не принципиальна или ток нагрузки практически не меняется, можно исключить конденсатор С1 (рис. 109,г, кривая 6 на рис. 110). Подбор емкости можно начать с величины, определенной по полуэмпирической формуле С2=Р/12. где Р - мощность в ваттах, емкость - в микрофарадах. Формула учитывает запас, обеспечивающий исключение перегрузки адаптера. Для данного случая начальное значение емкости С2= 6/12 =0,5 мкФ. При подобранной емкости С2=0,76 мкФ и изменении выходного тока от 0 до 200 мА выходное напряжение меняется от 27 до 8,9 В.
Таким образом, если необходима стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки, наиболее целесообразно использование емкостного делителя, причем емкости устанавливаемых конденсаторов сверху практически не ограничены - чем больше, тем лучше. Если стабильность не играет роли - используйте вариант с одним конденсатором С2 (рис. 109,г).
Варианты с гасящим резистором (рис. 109,а и б) применять нецелесообразно из-за больших потерь мощности и сильного нагрева этого резистора.
Приведенные на рис. 110 графики иллюстрируют зависимости для среднего выходного напряжения. На него наложено напряжение пульсации, его форма близка к пилообразной. На рис. 112 приведены зависимости двойной амплитуды пульсации (от пика до пика) от выходного тока для первого (от напряжения 105 В, кривая 1) и последнего (через единственный конденсатор С2, кривая 2) из
рассмотренных вариантов подключения адаптера. Для других вариантов включения пульсации имеют промежуточную величину.
Для вариантов рис. 109,в и г параллельно конденсатору С2 следует включать резистор сопротивлением несколько сотен килоом для его разрядки после отключения от сети. В варианте 1,в весьма желателен резистор сопротивлением 22...47 Ом, включенный последовательно с конденсатором С2. Он уменьшит бросок тока в момент включения в сеть. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 250 В, очень удобны К73-16 и К73-17.
При всех экспериментах с адаптерами следует помнить, что рабочее напряжение устанавливаемых в них оксидных конденсаторов обычно составляет, как правило, 16 В и поэтому нежелательна подача на них большего напряжения на сколько-нибудь длительное время.
Рис. 100 Зависимость выходного напряжения от тока адаптеров FIRST ITEM, ELECA
Рис. 102 Зависимость выходного напряжения от тока адаптеров FIRST ITEM, SLD, PPI
Рис. 104 Зависимость напряжения пульсаций от выходного тока
Рис. 107 Принципиальная схема доработанного адаптера FIRST ITEM NO:57
Рис. 108 Печатная плата доработанного адаптера FIRST ITEM NO:57
Рис. 109 Схемы включения адаптеров на 120В к сети 220В
Рис. 110 Зависимость выходного напряжения адаптера от выходного тока при различных вариантах включения
Рис. 111 Зависимость напряжения на нагрузке от емкости конденсатора
Рис. 112 Зависимость напряжения пульсаций от выходного тока
Рис. 99 Типовая схема универсального сетевого адаптера
Таблица 4. Основные характеристики некоторых блоков питания
12. Зарядные устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей.
ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ
В специализированной литературе обоснована целесообразность зарядки аккумуляторов от источника фиксированного напряжения с ограничением тока. Такой режим удобен тем, что подзарядка в течение, например, ночи гарантирует к утру их полную зарядку независимо от их исходного состояния без опасности перезарядки. В данном разделе описаны несколько вариантов подобных устройств для зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей.
Схема первого из предлагаемых зарядных устройств приведена на рис. 113. Стабилитрон VD6, операционный усилитель DA1.1, транзистор VT1 и связанные непосредственно с ними элементы образуют высокостабильный источник напряжения. Его особенность - питание параметрического стабилизатора R2VD6 выходным напряжением источника, что и обеспечивает ему высокие параметры.
Делитель R 17 - R28 формирует 12 ступеней напряжения, соответствующих предельным при зарядке одиночных аккумуляторов и батарей, составленных из 2 - 12 никель-кадмиевых аккумуляторов. Необходимое зарядное напряжение выбирают переключателем SA2. Операционный усилитель (ОУ) DA1.2 совместно с транзистором VT2 образуют точный повторитель этого напряжения с большой нагрузочной способностью. Его выходное сопротивление весьма мало -изменение напряжения при увеличении выходного тока от 0 до 350 мА нельзя обнаружить по четырехзначному цифровому вольтметру, т. е. оно меньше 1 мВ, а выходное сопротивление соответственно менее 0,003 Ом.
Для ограничения тока в начале зарядки используется сравнение падения напряжения на резисторе R32 (и подключаемых к нему параллельно резисторах R6 - R 16) и образцового напряжения, снимаемого с делителя R35 - R39. Ток коллектора транзистора VT2 с достаточной точностью равен току зарядки. Образцовое напряжение, снимаемое с резисторов R35 и R36, равно 1,2 В. Сравнение напряжений осуществляет компаратор, его функцию выполняет ОУ DA2.2. Когда ток зарядки создает на резисторе R32 падение напряжения более 1,2 В, ОУ DA2.2 открывает транзистор VT3, который своим коллекторным током увеличивает напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1.2, что приводит к уменьшению выходного напряжения ОУ и переходу всего источника в режим стабилизации тока. Установку значения тока ограничения в пределах от 2,5 до 350 мА производят переключателем SA3.
Выходное сопротивление устройства в режиме стабилизации тока равно сопротивлению резистора R30:
Микроамперметр РА1 с добавочным резистором R31 образует вольтметр на напряжение 1,2 В, поэтому при работе источника в режиме стабилизации тока его стрелка указывает на последнее деление шкалы. Для вольтметра использован микроамперметр на ток 100 мкА, поэтому такое его показание соответствует зарядному току, равному 100% от установленного переключателем SA3 значения.
Если к гнездам XI и Х2 зарядного устройства подключить разряженную батарею аккумуляторов, установив переключатель SA2 в положение, соответствующее их числу в ней, вначале ток зарядки будет определяться положением переключателя SA3. Через несколько часов напряжение на батарее достигнет значения, установленного переключателем SA2, и устройство перейдет в режим стабилизации напряжения. Ток зарядки начнет уменьшаться, что можно отслеживать по показанию прибора РА1.
Когда ток уменьшится до значения, составляющего примерно 5% от установленного переключателем SA3, компаратор на ОУ DA2.1 переключится и загорится светодиод HL2, сигнализируя об окончании зарядки.
Если батарею (или одиночный аккумулятор) продолжать заряжать даже в течение суток, с ней ничего не произойдет, поскольку ток в конце зарядки весьма мал.
Светодиод HL1 - индикатор подключения устройства к сети. Подбором конденсатора С7 устраняют высокочастотную генерацию ОУ DA1.2.
Какова роль диодов VD2 - VD5? При зарядке одиночного аккумулятора напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1.2 составляет 1,4 В, а в режиме замыкания выхода зарядного устройства его выходное напряжение, обеспечивающее перевод устройства в режим стабилизации тока, должно быть около 0,6 В относительно общего провода. Чтобы ОУ DA1.2 нормально работал в таких режимах, напряжение его минусового источника питания должно быть по абсолютному значению не менее 2 В, что и обеспечивается падением напряжения на диодах VD3 - VD5.
Аналогично для нормальной работы ОУ DA2.1 при напряжении на входах, близком к напряжению плюсового источника питания, разность между ними должна быть не менее 0,6 В - обеспечивается падением напряжения на диоде VD2.
Чертеж печатной платы из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, на которой размещена большая часть деталей устройства, приведен на рис. 114. Транзистор VT2 снабжен игольчатым теплоотводом размерами 60 х 45 мм, высота игл - 20 мм. Переключатели SA2 и SA3 вместе с распаянными на них
резисторами, микроамперметр РА1, светодиоды HL1 и HL2, выходные гнезда XI и Х2 установлены на передней панели прибора, изготовленной из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, а трансформатор Т1, выключатель SA1, предохранитель FU1, диодный мост VD1 и конденсаторы С1 - на задней дюралюминиевой панели такой же толщины. Панели скреплены между собой дюралюминиевыми стяжками длиной 135 мм, к этим же стяжкам привинчена печатная плата. Законченная конструкция установлена в алюминиевый корпус в виде отрезка прямоугольной трубы.
Сетевой трансформатор Т1 - унифицированный ТН-30 [17]. Но применим любой другой аналогичный трансформатор, вторичная обмотка которого обеспечивает напряжение 19...20 В при токе не менее 400 мА. Выпрямительный мост VD1, рассчитанный на такой же выходной ток, можно собрать из четырех диодов с рабочим током 300 мА, например, серии Д226. Такими могут быть и диоды VD2 -VD5. Конденсатор С1 составлен из трех соединенных параллельно оксидных конденсаторов К50-29 емкостью по 1000 мкФ на номинальное напряжение 25 В. Конденсатор С2 - К53-1, остальные - КМ-5 и КМ-6.
Термокомпенсированный стабилитрон КС191Ф (VD6) можно заменить на Д818 с буквенными индексами В - Е или на КС 191 с любым буквенным индексом. Резисторы R3, R5 и R17 - R28 желательно использовать стабильные, например, С2-29. Сопротивления резисторов R17 - R28 могут быть в пределах 160 Ом...10 кОм, но обязательно одинакового значения с точностью не хуже 0,3%.
Сопротивления резисторов R6 - R 16 не обязательно должны быть точными. Их желательно подобрать в соответствии с указанными на схеме значениями из резисторов близких номиналов, что упростит настройку прибора. Каждый из резисторов R 15, R 16 состоит из нескольких резисторов большего номинала и меньшей мощности рассеяния, которые соединены параллельно. Подстроечные резисторы R4 и R38 - СПЗ-19а.
Светодиоды HL1 и HL2 - любые, но желательно разного цвета свечения. Стабилитроны VD7 и VD8 на напряжение стабилизации 5,6...7,5 В. Переключатели SA2 и SA3 - ПГ2-5-12П1Н или аналогичные другие малогабаритные.
Микроамперметр РА1 типа М4247 на ток 100 мкА. Используя прибор на иной ток полного отклонения стрелки, придется подбирать не только ограничительный резистор R31, но и R32 - для обеспечения зарядного тока 2,5 мА при крайнем левом (по схеме) положении переключателя SA3.
Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми кремниевыми структуры n-р-n средней мощности, a VT3 - любым кремниевым
маломощным структуры р-n-р на допустимое напряжение не менее ЗОВ.
Операционные усилители К140УД20 (DA1, DA2) заменимы двойным числом ОУ К140УД7. Применение ОУ других типов определяется возможностью их работы в упомянутых выше режимах, но автором это не проверялось.
Коротко о настройке зарядного устройства. Вначале подстроечным резистором R4 установите на эмиттере транзистора VT1 напряжение, равное 16,8 В. Нагрузив устройство резистором сопротивлением 51...68 Ом (на мощность рассеяния 7,5 Вт) и временно отпаяв резистор R43, убедитесь в том, что при переводе переключателя SA2 в каждое следующее положение (вверх по схеме) выходное напряжение увеличивается на 1,4 В. Проверьте отсутствие высокочастотной генерации на выходе и при необходимости подберите конденсатор С7.
Далее восстановите соединение резистора R43, а переключатель SA2 установите в положение "12". Изменяя положение переключателя SA3, убедитесь, что при этом выходной ток, измеряемый миллиамперметром, включенным последовательно с нагрузочным резистором, ограничивается значением, соответствующим положению этого переключателя (кроме 350 мА). Замените нагрузочный резистор цепочкой из двух - трех диодов (однотипных с VD2 - VD5) и, установив переключатель SA3 в положение "100 мА", выставьте подстроечным резистором R38 такой же выходной ток. Стрелка микроамперметра должна указывать на последнее деление шкалы, если это не так - подберите резистор R31.
Теперь переключатель SA2 установите в положение "1", а переключатель SA3 в положение "10 мА". К выходу устройства подключите переменный резистор на 3,3 кОм и миллиамперметр, после чего увеличивайте от нуля сопротивление этого резистора. При выходном токе, равном примерно 0,5 мА, должен включиться светодиод HL2.
Настраивая устройство, помните, что его выходное сопротивление резко несимметрично - оно мало для вытекающего тока и велико для втекающего. Поэтому устройство без нагрузки чувствительно к сетевым наводкам и измерение выходного напряжения высокоомным вольтметром может дать неожиданно завышенный результат.
Зарядка батареи аккумуляторов несложна. Надо лишь установить переключатели в положения, соответствующие числу аккумуляторов в ней и максимальному току зарядки, подключить к выходу батарею с соблюдением полярности и включить питание устройства. Признаком окончания зарядки служит загорание светодиода HL2. Максимальный ток зарядки долженбыть в 3...4 раза меньше емкости заряжаемой батареи аккумуляторов.
Какие дополнения или изменения можно внести в этот вариант зарядного устройства? Прежде всего надо дополнить его электро-
магнитным реле К1, как показано на рис. 115, которое бы отключало аккумулятор или батарею после окончания зарядки. При включении светодиода HL2 реле срабатывает и своими нормально замкнутыми контактами разрывает цепь зарядки. Резистор R44 необходим для четкого срабатывания реле и обеспечения небольшого гистерезиса компаратора на ОУ DA2.1. Реле К1 должно быть на напряжение 20...27 В, транзистор VT4 -любой средней или большой мощности структуры р-n-р, например, серий КТ502, КТ814, КТ816.
Но введя в устройство такое дополнение, следует учитывать, что после начала зарядки любые переключения его цепей приводят к срабатыванию реле, поэтому необходимые установки надо делать заранее.
Устройство можно применять для разрядки батарей из семи аккумуляторов, не опасаясь их переразрядки. Для этого переключатель SA2 надо установить в положение "5", переключатель SA3 - в ближайшее по току разрядки, но большее его, включить между выходными гнездами XI и Х2 резистор, обеспечивающий необходимый ток разрядки и подключить разряжаемую батарею. Поскольку напряжение батареи больше, чем подаваемое на неинвертирующий вход ОУ DA1.2, транзистор VT2 будет закрыт, а батарея разряжаться через резистор. Когда напряжение батареи снизится до 7 В, ОУ DA1.2 и транзистор VT1 перейдут в режим стабилизации напряжения, разрядка прекратится.
Индикатором завершения разрядки батареи служит светодиод HL2 - в процессе разрядки он светится, а по ее окончании - гаснет.
Если устройство часто предполагается использовать для разрядки батарей, к тому же с разным числом аккумуляторов, в него целесообразно ввести дополнительный резистор, сопротивление которого составляет 40% от суммарного сопротивления резисторов R17 - R28, и, конечно, выключатель. Резистор включают между выходом источника образцового напряжения (на схеме рис. 113 -точка соединения эмиттера транзистора VT1, резисторов R2, R3, конденсатора СЗ) и неподвижным контактом "12" переключателя
SA2, соединенным с резистором R17, а параллельно этому резистору - дополнительный выключатель. Батарею заряжают при замкнутых контактах выключателя, а при размыкании их, когда выходное напряжение уменьшается в 1,4 раза (до 1 В на аккумулятор),батарею можно разряжать.
Разрядка батареи через резистор происходит изменяющимся во времени током, который можно стабилизировать микросхемой
К142ЕН12А, включив ее по схеме, приведенной на рис. 116. Сопротивление резистора R46 (Ом) определяют по формуле: R46=1250/Ipaз, где Iраз - ток разрядки (мА).
Номиналы резисторов, от которых зависит ток разрядки, соответствуют сопротивлениям резисторов R6 - R 16 при тех же токах, что и ток зарядки.
Схема второго варианта зарядного устройства показана на рис. 117. Оно значительно проще, но в нем нет узла индикации момента окончания зарядки.
В устройстве применены две микросхемы КР142ЕН12А. Первая из них (DA1) работает в режиме ограничения тока, а вторая выполняет функцию стабилизатора напряжения зарядки.
Диоды VD2-VD4 являются элементами защиты. Подстроечными резисторами R25 и R28 точно устанавливают выходные напряжения при различных положениях переключателя SA3. Конденсаторы С2-С4 предотвращают возможную генерацию микросхем DA1,DA2.
Трансформатор питания Т1, диодный мост VD1, конденсатор С1, переключатели SA2 и SA3 могут быть такими же, как в первом варианте устройства. Диоды VD2-VD4 - любые маломощные кремниевые.
Резисторы R13-R24, R26 должны быть точными и стабильными, а их сопротивления - в пределах 120...180Ом.
Перед установкой микросхем на плате желательно проверить их напряжение стабилизации. Сделать это можно, подключив цепь, выполненную по схеме рис. 116, к источнику напряжения 5...15 В, измеряя напряжение на резисторе R46 (160 Ом). Ту из микросхем, напряжение стабилизации которой ближе к 1,2 В, используйте в узле ограничения тока зарядки (DA1). А если оно сильно отличается от 1,2 В, сопротивления резисторов R2-R12 придется подобрать при настройке устройства.
Настраивайте это зарядное устройство следующим образом. Вначале переключатели SA2 и SA3 установите в положения "350" и
"12" соответственно, движок подстроенного резистора R25 - в среднее положение, после чего резистором R27 выставите на выходе напряжение 16,8 В. Далее переключатель SA3 переведите в положение "1" и резистором R25 установите на выходе устройства напряжение 1,4 В. Эти операции взаимосвязаны, поэтому повторите их несколько раз.
Затем к выходу подключите три соединенных последовательно кремниевых диода на ток не менее 300 мА и миллиамперметр. Переключатели SA2 и SA3 установите в положения "2,5" и "2" и подбором резистора R1 добейтесь выходного тока, равного 2,5 мА. Если напряжение стабилизации микросхемы DA1 1,2 В и сопротивления резисторов R2-R12 соответствуют указанным на схеме, то и при других положениях переключателей токи зарядки должны соответствовать обозначенным на схеме. В противном случае придется дополнительно подбирать резисторы R2-R12.
Выходное сопротивление устройства в режиме стабилизации тока значительно меньше, чем у конструкции первого варианта, и равно
суммарному сопротивлению введенных резисторов R13-R24 и R25-R28.
Если зарядное устройство по схеме на рис. 117 предназначается лишь для батарей из аккумуляторов одного типа, переключатель SA2 и резисторы R2-R12 можно исключить, а индикатор окончания зарядки, собранный по схеме рис. 118, ввести. Пока суммарный ток зарядки и текущий через резисторы R13-R24 достаточно велик, он течет, в основном,
через эмиттерный переход транзистора VT1. Транзистор при этом открывается и загорается светодиод HL1, индицируя процесс зарядки. Когда ток уменьшится до значения, определяемого сопротивлением резистора R29 и напряжением открывания транзистора VT1, этот транзистор закроется и светодиод погаснет.
Было собрано (с исключением переключателя SA2 и с добавлением индикатора окончания зарядки по схеме рис. 118) зарядное устройство для батарей из аккумуляторов ЦНК-0,45 (до шести штук). Чтобы ограничить выходной ток на уровне 150 мА,потребо-вался резистор (R1 на рис. 117) сопротивлением 8,2 Ом. В индикаторе окончания зарядки при сопротивлении резистора R29 30 Ом уменьшение яркости свечения светодиода начиналось при токе зарядки 10 мА, полностью он погасал при токе 7 мА.
В устройстве использован трансформатор ТПП-220 [16], все шесть вторичных обмоток которого соединены последовательно. Перемычки удобно устанавливать так: 16-17, 18-11, 12-13, 14-19, 20-21, напряжение на диодный мост снимают с выводов 15 и 22. Напряжение сети подают на выводы 2 и 9 трансформатора, между выводами 3 и 7 необходимо также установить перемычку. Но, конечно, пригоден любой другой трансформатор, обеспечивающий на вторичной обмотке напряжение 11...12 В при токе не менее 400 мА.
Все элементы устройства, кроме сетевого трансформатора с выключателем питания, предохранителя, переключателя SA3 и выходных гнезд, смонтированы на печатной плате размерами 90 х 50 мм (рис. 119). Плата рассчитана на установку диодного моста КЦ407А (VD1), оксидного конденсатора К50-29 (С1) емкостью 2200 мкф на номинальное напряжение 16 В. Другие детали такие, как в конструкции первого варианта устройства. Микросхемы DA1 и DA2 установлены на игольчатые теплоотводы размерами 45 х 25 мм, высота игл - 20 мм.
Монтажная плата с помощью резьбовых втулок, вклепанных в ее углы, вместе с другими деталями установлена в пластмассовом корпусе размерами 133х100х56 мм. Светодиод на удлиненных выводах выведен на крышку корпуса.
Налаживают устройство в таком порядке. Подстроенными резисторами R25 и R27 устанавливают на выходе напряжения 8,4 и 1,4 В при положениях "6" и "1" переключателя SA3 соответственно, выходной ток, равный 150 мА, - подбором резистора R1 и порог погасания светодиода - подбором резистора R29. В случае возникновения генерации микросхемы DA1 между ее входным выводом 2 и минусовым проводом цепи питания включают конденсатор С* (несколько десятков или сотен нанофарад), обозначенный на рис. 119 штриховыми линиями. Печатная плата такого варианта зарядного устройства может стать основой и для устройства по схеме рис. 117-на ней предусмотрены контакты для подключения переключателя
SA2 с резисторами R2-R12. Каждая из микросхем должна быть установлена на свой радиатор таких же габаритов, что и в устройстве по схеме рис. 113.
Любителям слушать музыку, используя плейер, источником питания которого служит батарея из двух аккумуляторов ЦНК-0,45, предлагается зарядное устройство попроще (рис. 120, схема отличается от рис. 105 номиналами и отсутствием конденсатора, включенного параллельно вторичной обмотке трансформатора). Вторичная обмотка сетевого трансформатора Т1 должна быть рассчитана на напряжение 8...9 В и ток не менее 160 мА. Микросхему следует снабдить небольшим пластинчатым теплоотводом. Выходное напряжение, равное 2,8 В, устанавливают подстроечным резистором R2, а затем, нагрузив устройство на три последовательно включенных диода на ток 300 мА или два разряженных аккумулятора, подбором резистора R1 - выходной ток 150... 180 мА.
А если микросхемы КР142ЕН12А нет? В таком случае зарядное устройство аналогичного назначения рекомендуется собрать по
схеме рис. 121. Основой такого варианта зарядного устройства может быть блок питания ПМ-1, предназначаемый для питания электродвигателей игрушек, любой другой трансформатор, понижающий напряжение сети до 6...6,3 В, или сетевой адаптер.
Все детали устройства, кроме сетевого трансформатора, монтируют на печатной плате, чертеж которой приведен на рис. 122, рассчитанной на установку на ней оксидных конденсаторов К50-6 (С1-СЗ), подстроечного резистора СПЗ-
19б (R5), светодиодов АЛ341А или АЛ307Б. Светодиоды выведены наружу через вентиляционные щели кожуха. Транзистор VT1 снабжен небольшим пластинчатым теплоотводом из латуни (или алюминия) толщиной 0,5 мм. Монтажная плата закреплена в корпусе на двух вклепанных в нее резьбовых втулках.
При настройке этого устройства, как и предыдущего, сначала устанавливают выходное напряжение 2,8 В (резистором R5), после чего его нагружают тремя соединенными последовательно диодами на рабочий ток 300 мА и подбором резистора R7 добиваются выходного тока 150... 180 мА. Светодиод HL2 при этом гаснет.
Корпусы описанных зарядных устройств должны иметь вентиляционные отверстия для обеспечения охлаждения теплоотводов микросхем или транзисторов.
Рис. 113 Принципиальная схема универсального зарядного устройства
Рис. 114 Печатная плата универсального зарядного устройства
Рис. 115 Подключение электромагнитного реле
Рис. 116 Включение микросхемы К142ЕН12А как стабилизатора тока
Рис. 117 Принципиальная схема зарядного устройства на микросхемах К142ЕН12А
Рис. 118 Индикатор окончания зарядки для устройства по схеме
Рис. 119 Печатная плата зарядного устройства на микросхемах К142ЕН12А
Рис. 120 Принципиальная схема зарядного устройства для плейера
Рис. 121 Принципиальная схема зарядного устройства на транзисторах
Рис. 122 Печатная плата зарядного устройства
13. Сетевой источник питания с гасящим конденсатором.
СЕТЕВОЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ГАСЯЩИМ КОНДЕНСАТОРОМ
Во многих из описанных выше устройств использовались бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором. Они удобны своей простотой, малыми габаритами и массой, но не всегда применимы из-за гальванической связи выходной цепи с сетью 220 В. О том, как правильно рассчитать такой источник, рассказывается в данном разделе.
В бестрансформаторном источнике питания к сети переменного напряжения подключены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка. Рассмотрим вначале работу источника с чисто резистивной нагрузкой (рис. 123,а).
В радиолюбительской практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последовательно с
диодным мостом, а нагрузка, зашунтированная другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста (рис. 124). В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока, протекающего через мост и гасящий конденсатор, будет отличаться от
синусоидальной. Из-за этого представленный выше расчет оказывается неверным.
Каковы процессы, происходящие в источнике со сглаживающим конденсатором С2 емкостью, достаточной для того, чтобы считать пульсации выходного напряжения пренебрежимо малыми? Для гасящего конденсатора С1 диодный мост (вместе с С2 и Rн) в установившемся режиме представляет собой некий эквивалент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, меньшем некоторого значения (оно практически равно напряжению Uвых на конденсаторе С2), мост закрыт и ток через него не проходит, при большем - через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться напряжению на входе моста.
Рассмотрение начнем с момента t1, когда напряжение сети максимально (рис. 125). Конденсатор С1 заряжен до амплитудного напряжения сети Uс.амп за вычетом напряжения на диодном мосте Uм , примерно равного Uвых. Ток через конденсатор С1 и закрытый мост равен нулю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону (график 1), на мосте также уменьшается (график 2), а напряжение на конденсаторе С1 не меняется.
Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых (момент t2). В этот момент появится скачком ток Ic1 через конденсатор С1 и мост. Начиная с момента t2, напряжение на мосте не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети и, следовательно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1 (график 3).
Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения (момент tз), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далее процесс повторяется каждый полупериод.
Ток через мост протекает лишь в интервале времени t2-t3, его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части
При отсутствии стабилитрона на необходимое напряжение Uвых;
допускающего рассчитанный максимальный ток стабилизации, можно соединить несколько стабилитронов на меньшее напряжение последовательно.
Подставлять в формулу (4) минимальный ток нагрузки Iн nun следует лишь тогда, когда этот ток длителен - единицы секунд и более. При кратковременном минимальном токе нагрузки (доли секунды) его надо заменить средним (по времени) током нагрузки. Если стабилитрон допускает ток, больший рассчитанного по формуле (4), целесообразно использовать гасящий конденсатор несколько
источника по схеме рис. 124 зарядка этого конденсатора длится четверть периода напряжения сети, и столько же - разрядка. При таком приближении двойное напряжение пульсации 2Uп (размах ) равно: 2ип=0,25Iн mах/fС.
Аналогично можно считать, что для источника по схеме рис. 126 зарядка длится то же время, а разрядка - три четверти периода:
2Uп=0,75Iнmax/fC.
Для выходного напряжения менее 100 В реально зарядка длится большее время, разрядка - меньшее, и эти выражения дают заметно завышенный результат, поэтому расчет емкости сглаживающего конденсатора по полученным из них формулам обеспечивает некоторый запас: С=5Iнmax/2Uп (для рис. 124); С= 15Iнmax/2Uп (для рис. 126), где ток - в миллиамперах, емкость - в микрофарадах, напряжение - в вольтах.
Хотя стабилитрон и уменьшает напряжение пульсации, использовать сглаживающий конденсатор емкостью, менее рассчитанной, не рекомендуется. В ранее рассмотренном примере при размахе пульсации 0,2 В емкость сглаживающего конденсатора равна:
С2=5*15/0,2=375 мкФ.
Для ограничения броска тока через диоды выпрямительного моста в момент включения источника в сеть последовательно с гасящим конденсатором необходимо включать токоограничивающий резистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста КЦ407А или моста из диодов КД103А достаточно резистора сопротивлением 36 Ом.
Рассеиваемую на нем среднюю мощность Р можно определить по формуле: Р= 5,6С1^2R, где емкость - в микрофарадах, сопротивление -в омах, мощность - в милливаттах. Для рассмотренного выше примера P=5,6*0,39^236=30 мВт. Для надежности (ведь в момент включения к резистору может быть приложено амплитудное напряжение сети) рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 0,5 Вт.
Для того, чтобы исключить возможность поражения электротоком при налаживании устройств с рассматриваемыми источниками, питать их следует не от сети, а от сетевого лабораторного низковольтного блока питания через токоограничительный резистор. Выходное напряжение лабораторного блока устанавливают больше напряжения питания налаживаемого устройства настолько, чтобы ток через токоограничительный резистор был близок к Iст min+ Iнmax.
Иногда удобно использовать в роли токоограничительного резистор источника, ограничивающий бросок тока через диоды выпрямительного моста. В этом случае достаточно замкнуть выводы
(рис. 130) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для электронно-механических часов (рис. 131).
Делитель напряжения пятивольтового источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и СЗ, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкф. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн=O) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки - 27 В.
Электронно-механические часы обычно питают от одного гальва
нического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.
Транзистор VT1, включенный эмиттерным повторителем, и гальванический элемент G1 составляют стабилизатор напряжения. На выходе источника будет напряжение элемента минус падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора.
Ток, потребляемый от элемента G1 при наличии сетевого напряжения, меньше тока нагрузки в h21э раз, что существенно продлевает срок службы элемента. Практически это означает, что элемент приходится заменять не из-за его разрядки током нагрузки, а вследствие других причин - саморазрядки, высыхания электролита и т. п.
В случае пропадания напряжения в сети транзистор выходит из режима эмиттерного повторителя и нагрузку питает гальванический .элемент G1 через открытый эмиттерный переход. После появления сетевого напряжения транзистор возвращается в режим эмиттерного повторителя и нагрузка переходит на питание от сети. Конденсатор С4 обеспечивает нормальную работу часов при глубокой разрядке элемента G1.
Диоды Д223 можно заменить на любые другие, транзистор МП41А - на любой германиевый структуры р-n-р. Элемент G1
лучше использовать алкалиновый, например, Duracell, Energizer. Реальный срок эксплуатации такого элемента в блоке питания может достигать 10 лет.
И последнее. Конструкция бестрансформаторных источников и устройств, питающихся от них, должна исключать возможность прикосновения к любым проводникам в процессе эксплуатации. Особое внимание нужно уделить изоляции органов управления.
Рис. 123 Бестрансформаторный источник питания с резистивной нагрузкой
Рис. 124 Типовая схема источника питания с гасящим конденсатором
Рис. 125 Временные диаграммы работы источника
Рис. 126 Однополупериодный источник питания
Рис. 127 Типичная ошибка с подключеним последовательного стабилизатора напряжения
Рис. 128 Зависимость емкости гасящего конденсатора от напряженияна первичной обмотке трансформатора
Рис. 129 Источник с емкостным делителем
Рис. 130 Бестрансформаторный источник питания на 5В
Ф.1 Расчетная формула гасящего конденсатора
Ф.2 Расчет среднего тока через нагрузку
14. Преобразователь напряжения для питания ФЭУ.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ФЭУ
В этом разделе описан преобразователь напряжения, предназначенный для питания фотоэлектронного умножителя, входящего в состав чувствительного радиометрического комплекса. Схемотехнические решения, заложенные в преобразователе, могут быть использованы при разработке стабилизированных источников питания многих других электронных устройств.
Преобразователь, схема которого приведена на рис. 132, обеспечивает на выходе напряжение 1000 В. Стабильность выходного напряжения такова, что при колебании тока нагрузки от 0 до 200 мкА изменение выходного напряжения не обнаружимо по четырехзнаковому цифровому вольтметру, т. е. не превышает 0,1 %.
Устройство собрано по традиционной схеме с использованием обратного выброса напряжения самоиндукции. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, подает на первичную обмотку трансформатора Т1 напряжение источника питания на время, равное 10...16 мкс. В момент закрывания транзистора энергия, накопленная в магнитопроводе трансформатора, преобразуется в импульс напряжения около 250 В на вторичной обмотке (около 40 В - на первичной). Умножитель напряжения, образованный диодами VD3 -VD10 и конденсаторами С8 - С 15, повышает его до 1000 В.
Импульсы управления транзистором VT1 вырабатывает генератор с регулируемой скважностью, собранный на элементах DD1.1 -DD1.3. Управление скважностью импульсов осуществляется выходным напряжением операционного усилителя DA1,
Выходное напряжение преобразователя через резистивный делитель R1 - R3 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя и сравнивается им с образцовым напряжением, стабилизированным термокомпенсированным стабилитроном VD1. В момент включения выходное напряжение преобразователя равно нулю, близко к нулю и напряжение на выходе ОУ DA1. Генератор формирует импульсы максимальной длительности. При соотношении сопротивлений резисторов R9, Rll, R12, указанных на схеме,
отношение длительности импульсов положительной полярности на выходе элемента DD1.4 к периоду их повторения (коэффициент заполнения) близко к 0,65. При достижении выходным напряжением заданного значения отрицательное напряжение на выходе ОУ DA1 возрастает, коэффициент заполнения уменьшается, а выходное напряжение стабилизируется.
Во время испытания описываемого здесь преобразователя длительность импульсов при нагрузке в указанных выше пределах изменялась от 10 до 12 мкс, а их частота повторения - от 18 до 30 кГц, что соответствует коэффициенту заполнения от 0,18 до 0,4. Потребляемый ток увеличивался с 22 до 47 мА. При максимальной нагрузке и уменьшении питающего напряжения до 10,5 В длительность импульсов увеличивалась до 16 мкс при частоте 36 кГц, что соответствует коэффициенту заполнения 0,57. Дальнейшее снижение напряжения питания приводило к срыву стабилизации. При токе нагрузки 100 мкА стабилизация сохраняется до напряжения источника питания 9,5 В.
Конденсатор С3 образует нижнее плечо емкостной части делителя выходного напряжения. Без него напряжение пульсации с выхода преобразователя, равное примерно 1 В, проходило бы на вход ОУ DA1 через емкость резисторов R1 и R2 практически без ослабления. Конденсатор С4 обеспечивает преобразователю устойчивость работы в целом. Диод VD2 и резистор R 12 ограничивают максимально возможный коэффициент заполнения. Минимальные длительность импульсов и коэффициент заполнения определяются соотношением сопротивлений резисторов R9 и R 11. С уменьшением сопротивления резистора R9 минимальный коэффициент заполнения уменьшается и может стать равным нулю.
Стабильность выходного напряжения при различных нагрузках обеспечивается за счет большого коэффициента усиления в петле
обратной связи преобразователя. Для устойчивости работы преобразователя при таком коэффициенте усиления необходим конденсатор С4 относительно большой емкости. Но это приводит к увеличению длительности установления выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки. Сократить время установления можно уменьшением емкости конденсатора С4, включением последовательно с ним резистора сопротивлением в несколько десятков килоом, подключением параллельно этому конденсатору резистора сопротивлением в несколько мегаом.
Все детали преобразователя можно смонтировать на печатной плате, выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Показанная на рис. 133 плата рассчитана в основном на установку резисторов МЛТ. Резисторы R1 - R3, R5 и R7, от которых зависит долговременная стабильность преобразователя, - стабильные С2-29. Подстроенный резистор R6 - СПЗ-19а. Конденсатор С1 -К53-1, С8 - С 15 - К73-17 на номинальное напряжение 400 В, другие конденсаторы - КМ-5, КМ-6. Выбор стабилитрона VD1 определяется предъявляемыми требованиями по стабильности. Диод VD2 - любой
кремниевый маломощный, а диоды умножителя напряжения (VD3 -VD10) могут быть КД104А. Микросхема К561ЛА7 заменима на К561ЛЕ5, КР1561ЛА7, КР1561ЛЕ5 или на аналогичные из серии 564.
Транзистор VT1 должен быть высокочастотным или среднечастотным, с допустимым напряжением коллектор - эмиттер не менее 50 В и напряжением насыщения не более 0,5 В при токе коллектора 100 мА. Для ускорения выхода среднечастотного транзистора из насыщения при выключении емкость конденсатора С6 следует увеличить.
Операционный усилитель К140УД6 (DA1) можно заменить на КР140УД6 без изменения рисунка печатных проводников платы или на любой другой с полевыми транзисторами на входе.
Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20 х 12 х 6 из феррита М1500НМЗ. Первичная обмотка содержит 35 витков, а вторичная - 220 витков провода ПЭЛШО 0,2. С целью уменьшения межобмоточной емкости провод вторичной обмотки следует укладывать одним толстым слоем, постепенно смещаясь по магнитопроводу, при этом первый и последний витки должны оказаться рядом. Первичная обмотка однослойная, ее наматывают поверх вторичной. Полярность подключения выводов обмоток роли не играет.
Настраивать преобразователь следует в таком порядке. Отключить первичную обмотку трансформатора от транзистора, а верхний (по схеме) вывод резистора R3 соединить с минусовым выводом источника питания через два резистора с общим сопротивлением 140 кОм. При вращении движка подстроечного резистора R6 коэффициент заполнения импульсов на выходе элемента DD1.4 (контролировать осциллографом или вольтметром постоянного напряжения, включенным между выходом этого элемента и общим проводом) должен скачком изменяться от минимального (примерно 0,1 или импульсы могут исчезать полностью) до максимального (0,65). Движок подстроечного резистора зафиксировать в положении возникновения этого скачка.
Затем полностью смонтировать преобразователь, подключить к его выходу вольтметр с входным сопротивлением не менее 10 МОм и включить питание. Выходное напряжение можно контролировать таким же вольтметром и по напряжению на резисторе R3 (5 В) или микроамперметром, включенным последовательно с этим резистором (50 мкА). Далее подстроить резистором R6 выходное напряжение преобразователя и проверить стабильность его работы при изменении нагрузки и напряжения источника питания.
Для уменьшения помех, излучаемых преобразователем, он по
мещен в латунный корпус. При необходимости большего подавления помех во вторичную цепь преобразователя можно включить простейший RC-фильтр, а в первичную - дроссель ДМ-0,1 индуктивностью 400 мкГн и проходной конденсатор.
Описанный преобразователь рассчитан на paботу отстабилированного источника питания 12 В, у которого с общим проводом соединен плюсовой вывод. Но без ка-
ких-либо изменений в монтаже с общим проводом можно соединить минусовый вывод источника питания.
В порядке эксперимента испытан вариант этого преобразователя с питанием от двуполярного источника ±12 В. Основная его часть собрана по такой же схеме, конденсатор С1 (на номинальное напряжение 30 В), вдвое меньшей емкости, включен между цепями +12 и -12 В, нижние (по схеме) вывод резистора R14 и вывод первичной обмотки транс
форматора Т1 подключены к цепи +12 В. Номиналы замененных элементов: R13 - 1,1 кОм, С6 - 1600 пФ, С7 - 430 пФ, R14 - 2 кОм. Транзистор VT1 - КТ815Г. Число витков первичной обмотки трансформатора Т1 увеличено в два раза.
Если использовать нестабилизированный источник питания, то коэффициент стабилизации цепи R4VD1 может оказаться недостаточным. В этом случае цепь питания стабилитрона следует вьполнить по схеме, приведенной на рис. 134. Светодиод HL1 будет выполнять функцию индикатора включения питания.
Рис. 132 Принципиальная схема преобразователя напряжения
Рис. 133 Печатная плата преобразователя напряжения
Рис. 134 Цепь питания стабилитрона
15. Простой импульсный блок питания на 15 Вт
Простой импульсный блок питания на 15 Вт
Данный источник может применяться для питания любой нагрузки мощностью до 15...20 Вт и имеет меньшие габариты, чем аналогичный, но с понижающим трансформатором, работающим на частоте 50 Гц.
Источник питания выполняется по схеме однотактного импульсного высокочастотного преобразователя, рис. 5.1. На транзисторе собран автогенератор, работающий на частоте 20...40 кГц (зависит от настройки). Частота настраивается емкостью С5. Элементы VD5, VD6 и С6 образуют цепь запуска автогенератора.
Во вторичной цепи после мостового выпрямителя стоит обычный линейный стабилизатор на микросхеме, что позволяет иметь на выходе фиксированное напряжение, независимо от изменения на входе сетевого (187...242 В).
В схеме применены конденсаторы: С1, С2 типа К73-16 на 630 В; СЗ — К50-29 на 440 В; С4 — К73-17В на 400 В; С5 — К10-17; С6 — К53-4А на 16 В; С7 и С8 типа К53-18 на 20 В. Резисторы могут быть любыми. Стабилитрон VD6 можно заменить на КС147А.
Импульсный трансформатор Т1 выполняется на ферритовом сердечнике М2500НМС-2 или М2000НМ9 типоразмера Ш5х5 (сечение магнитопровода в месте расположения катушки 5х5 мм с зазором в центре). Намотка сделана проводом марки ПЭЛ-2. Обмотка 1-2 содержит 600 витков провода диаметром 0,1 мм; 3-4 — 44 витка диаметром 0,25 мм; 5-6 — 10 витков тем же проводом, что и первичная обмотка.
Рис. 5.1. Электрическая схема импульсного блока питания на 15 Вт
В случае необходимости вторичных обмоток может быть несколько (на схеме показана только одна), а для работы автогенератора необходимо соблюдать полярность подключения фазы обмотки 5-6 в соответствии со схемой.
Настройка преобразователя заключается в получении устойчивого возбуждения автогенератора при изменении входного напряжения от 187 до 242 В. Элементы, требующие подбора, отмечены звездочкой "*". Резистор R2 может иметь номинал 150...300 кОм, а конденсатор С5 — 6800...15000 пФ. Для уменьшения габаритов преобразователя в случае меньшей снимаемой во вторичной цепи мощности номиналы электролитических фильтрующих конденсаторов (СЗ, С7 и С8) можно уменьшить. Их величина связана с мощностью нагрузки соотношением:
Р — мощность в цепи нагрузки, Вт;
Um — амплитудное значение выпрямленного напряжения (для действую щего на входе сетевого напряжения 242 В амплитуда составляет 342 В);
Fc — частота сети, для расчета СЗ она берется 50 Гц;
DU — максимальный размах пульсации выпрямленного напряжения, допустимый для применяемого типа конденсатора (берется из справочника: так для К50-29 он составляет 10...14%, [Л16], т. е. 34 В).
Конструкция корпуса устройства должна предусматривать установку транзистора и стабилизатора D1 на радиаторы, а также экранирование всей схемы для снижения уровня излучаемых помех.
Рис. 5.1. Электрическая схема импульсного блока питания на 15 Вт
Ф.1 Определение параметров фильтрующих конденсаторов от мощности нагрузки
16. Импульсный источник питания на 40 Вт
Импульсный источник питания на 40 Вт
Электрическая схема однотактного преобразователя приведена на рис. 5.2. Она работает на частоте примерно 50 кГц.
В момент включения питания конденсаторы СЗ...С5 заряжаются через резистор R2. При этом кратковременный импульс напряжения с этого резистора через диод VD5 и резистор R4 поступает на конденсатор С6 и заряжает его. Стабилитрон VD6 ограничивает уровень напряжения для питания микросхемы величиной 5,6 В. Это обеспечивает первоначальный запуск схемы и питание автогенератора. В дальнейшем необходимое питающее напряжение для схемы снимается со вторичной обмотки (2) трансформатора Т2.
На элементах микросхемы D1.1...D1.3 собран задающий генератор импульсов, из которых на конденсаторе С9 образуется пила. Компаратор D2 будет сравнивать напряжение пилы с уровнем напряжения на входе 2. В исходном состоянии компаратор открыт и через резистор R12 и базу транзистора VT3 протекает ток. В этом случае VT3, а значит и VT2, будут открыты. Как только напряжение с обмотки 2 трансформатора Т2 превысит установленный резистором R7 порог, компаратор закроется, что ограничит длительность импульса в первичной обмотке трансформатора. Таким образом обеспечивается стабилизация выходного напряжения при изменении сетевого на входе. Коэффициент стабилизации преобразователя зависит от наклона пилы на конденсаторе С9.
Диаграммы напряжения, показанные на рис. 5.3, поясняют работу схемы. Транзистор VT1 обеспечивает защиту источника питания от перегрузки по току. При его открывании срабатывает блокировка работы компаратора (при лог. "0" на входе D2/6). Сигнал блокировки периодически подается также с выхода генератора. Это исключает нахождение компаратора в открытом состоянии длительное время.
В случае срабатывания защиты, чтобы вернуть схему в рабочее состояние (запустить), потребуется на некоторое время отключить источник питания от сети (конденсаторы СЗ...С5 разрядятся через резистор R1).
В схеме применены детали: резисторы R1 — МЛТ, R2 — С5-5 на 1 Вт, под- строечный R7 — типа СП5-16ВА-0,25 Вт, остальные резисторы могут быть любо го типа; конденсаторы С1, С2 и С10 — типа К42У-2, СЗ...С5 — К50-29 на 450 В, С6, С7 типа К50-35, С8, С9, С11...С13—К10-17, С14, С15—К10-17. Транзистор VT2 можно заменить на КТ839А.
Рис. 5.2. Схема импульсного источника питания на 40 Вт
Дроссель фильтра Т1 выполняется на двух соединенных вместе ферритовых торроидальных сердечниках М2000НМ1 типоразмера К20х10х7,5 мм. Обе обмотки содержат по 40 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,33 мм (перед на моткой острые края сердечника необходимо закруглить надфилем).
Рис. 5.3. Форма напряжения в контрольных точках схемы
Для изготовления трансформатора Т2 взяты ферритовые (М2000НМ1) чашки типоразмера БЗ0. В центральной части магнитопровод должен иметь за зор примерно 0,2...0,6 мм (чтобы не намагничивался трансформатор при работе). Обмотки содержат: 1—120 витков; 2—7 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,15 мм; 3 — 8 витков провода диаметром 3х0,33 мм (наматывается тремя про водами одновременно), 4 — 19 витков 0,5 мм.
Транзистор VT2 устанавливается на радиатор, а вся конструкция закрывается сетчатым экраном (для теплоотвода от Т2 и VT2). Экран позволяет снизить уровень излучений и помех при работе источника.
Перед включением трансформатора Т2 необходимо убедиться в работоспособности схемы формирования импульсов на выходе D2/1. Для этого можно временно подать питание 9 В на конденсатор С7 от внешнего источника.
При правильной фазировке подключения обмоток у трансформатора Т2 настройка схемы заключается в установке резистором R7 необходимой величины напряжения во вторичной обмотке и проверки запуска схемы при минимальном питающем напряжении 180 В.
Рис. 5.2. Схема импульсного источника питания на 40 Вт
Рис. 5.3. Форма напряжения в контрольных точках схемы
17. Импульсный преобразователь с 12 В на 220 В 50 Гц
Импульсный преобразователь с 12 В на 220 В 50 Гц
Иногда, при отсутствии сетевой проводки, возникает необходимость питать бытовые электроприборы от бортовой сети автомобиля. В литературе описано немало простейших преобразователей с 12 на 220 В, но работающих на повышенной частоте. Для осветительной лампы или электронной удочки это еще допустимо, но не все бытовые приборы, рассчитанные на частоту сети 50 Гц, могут работать на более высокой частоте. Кроме того, ни одна из опубликованных схем не имеет защиты от перегрузки.
К данному преобразователю могут подключаться любые бытовые приборы мощностью до 100 Вт (при использовании более мощного трансформатора ее можно увеличить).
Предложенная схема преобразователя (рис. 5.4) работает на частоте 50Гц и имеет защиту от перегрузки по току. Кроме того, данный преобразователь дает на выходе форму сигнала, более приближенную к синусу, что снижает уровень высокочастотных гармоник (помех).
Рис. 5.4. Электрическая схема импульсного преобразователя с 12 В на 220 В 50 Гц
Устройство собрано на специально предназначенной для импульсных источников питания микросхеме 1114ЕУ4 (импортный аналог TL494CN или TL494LN). Это позволяет уменьшить число применяемых деталей и сделать схему довольно простой.
Внутри микросхемы имеется автогенератор со схемой для получения выходных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, а также ряд дополнительных узлов, обеспечивающих ее расширенные возможности. Подробно работа микросхемы описана в справочной литературе [Л17].
Выходные ключи микросхемы рассчитаны на ток не более 200 мА, и, чтобы управлять большей мощностью, выходные импульсы поступают на базу ключевых транзисторов VT1, VT2. Диод VD1 предотвращает повреждение схемы при ошибочной полярности подключения питания (перегорит только входной предох ранитель FU1).
Рис. 5.5. Форма напряжения в контрольных точках
Налаживание устройства начинается при отключенном трансформаторе с установки частоты задающего генератор 100 Гц с помощью времязадающей цепи из резистора R1 и конденсатора С4. Так как микросхема имеет двухтактный выход, выходная частота равна половине частоты автогенератора (50 Гц на выходах DA1/8 и DA1/11). Резистором R7 настраиваем форму выходных импульсов микросхемы в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 5.5. После этого подключаем трансформатор, и при напряжении питания схемы от 12-вольтового источника резистором R7 выставляется номинальное напряжение во вторичной цепи 220 В (измерять стрелочным измерительным прибором). Это делается при подключенной нагрузке мощностью 25...60 Вт.
Цепь из резистора R12 и конденсатора С9 может потребовать подбора номиналов, для того чтобы убрать выбросы в трансформаторе по фронтам в момент переходных процессов при коммутации тока.
Защита по току на 10 А устанавливается резистором R10. Это позволяет предотвратить повреждение преобразователя в случае перегрузки или короткого замыкания по выходу, так как схема начинает снижать выходное напряжение, переходя в режим стабилизации тока.
Преобразователь не имеет обратной связи по выходному напряжению, так как опыт практической эксплуатации показывает, что оно незначительно меняется при изменении мощности подключенной нагрузки и не выходит за рамки допустимого диапазона 190...240 В.
Преобразователь потребляет на холостом ходу не более 1 А, а с нагрузкой — ток увеличивается пропорционально мощности.
Транзисторы устанавливаются на радиатор с площадью поверхности не менее 300 кв. см.
Трансформатор Т1 придется изготовить самостоятельно. Использован магнитопровод типа ПЛМ27х40-73 или аналогичный. Обмотки 1 и 2 содержат по 14 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 2 мм; обмотка 3 содержит 700 витков провода диаметром 0,5 мм. Обмотки 1 и 2 должны быть симметричными — это условие легко выполняется при их одновременной намотке (сразу двумя проводами).
В схеме применены детали: конденсаторы С1, С2 типа К52-1, СЗ...С8 — типа К10-17, С9 — К73-17В; постоянные резисторы R9 типа С5-16МВ, R12 — С5-5. а остальные типа МЛТ; подстроечный R7 типа С5-2.
Предохранитель на 10 А можно сделать из медного провода диаметром 0,25 мм, см. табл. 5.1.
В случае перегрузки преобразователя, при срабатывании режима ограничения тока, пониженное напряжение питания допустимо не для всех радиоэлектронных устройств. В этом случае защиту по току можно выполнить с автоматическим полным отключением преобразователя, рис. 5.6. Для этих целей удобно воспользоваться токовым реле К1, группа контактов которого включает тиристор VS1. Такое реле несложно изготовить самостоятельно на основе геркона, а вариант конструкции К1 показан на рис. 2.46. Ток, при котором замыкаются контакты геркона К1.1, настраивается изменением числа витков обмотки (одного слоя вполне хватит).
При срабатывании защиты будет светиться индикатор HL1, а чтобы вернуть схему в рабочее состояние, потребуется отключить на некоторое время питание преобразователя.
Рис. 5.4. Электрическая схема импульсного преобразователя с 12 В на 220 В 50 Гц
Рис. 5.5. Форма напряжения в контрольных точках
Рис. 5.6 Электрическая схема импульсного преобразователя с защитой по току
18. Пять способов получения нужной температуры паяльника
Пять способов получения нужной температуры паяльника
Многие знают, что для получения качественной пайка при монтаже радиодеталей необходимо, чтобы температура жала паяльника соответствовала рабочей температуре припоя. У разных марок припоя она отличается. Если жало паяльника перегрето, припой будет окисляться и пайка получится недостаточно прочной. Кроме того, в этом случае жало паяльника быстро обгорает и припой вообще перестает на нем держаться. Качественная пайка имеет зеркальный блеск после остывания, и получить ее можно только при определенной температуре. Так, для наиболее распространенной марки припоя ПОС-61 температура пайки 190...260 °С. Рекомендуемая температура пайки микросхем 235±5 °С при продолжительности не более 2 с.
При покупке простейшего дешевого паяльника на сетевое напряжение 220 В, как правило, выясняется, что он перегревается и плохо паяет. Устранить эту проблему можно четырьмя путями.
Способ 1-й. Если паяльник имеет жало в виде стержня, который фиксируется на корпусе с помощью винта (рис. 5.7), то, регулируя длину погружения стержня в нагреватель, можно легко плавно изменить температуру. Но такую конструкцию крепления жала имеют не все паяльники, и этот метод может оказаться неприемлемым.
Способ 2-й. Можно воспользоваться ЛАТРом или трансформатором с большим числом отводом. В этом случае температура регулируется изменением подаваемого на обмотку нагревателя напряжения.
Способ 3-й. Последовательно с нагревателем паяльника включается добавочный резистор (реостат). При этом мощность резистора должна быть такой же, как и у паяльника, а номинал сопротивления подбираем для получения нуж ной температуры. Такой добавочный резистор имеет большие габариты и греется, что неудобно.
Способ 4-й. Электронный регулятор, рис. 5.8, позволяет плавно менять (переменным резистором R2) температуру нагревателя в широких пределах. Устройство имеет бестрансформаторное питание и малые габариты, что позволяет разместить его в подставке под паяльник. Схема не критична к типам деталей, и ее настройка заключается в подборе номинала резистора R4 (при нулевом значении R2) для получения максимального напряжения на нагревателе. Подключаемый паяльник может иметь мощность от 15 до 300 Вт, а при замене диодов VD1 ...VD4 на больший ток — до 1000 Вт.
Рис. 5.7. Конструкция паяльника с перемещаемым жалом
Рис. 5.8. Схема регулятора температуры
В случае, если паяльник рассчитан на более низкое номинальное напряжение питания (48 или 36 В), потребуется снижающий напряжение трансформатор, а на схему электронного регулятора может подаваться пониженное напряжение. В этом случае для сохранения ее работоспособности потребуется пропорционально входному напряжению уменьшить номинал резистора R1.
Рис. 5.9. Электрическая схема термостабилизатора
Способ 5-й. Позволяет автоматически поддерживать заданную температуру паяльника с точностью 1°С и используется для монтажа радиоэлементов микроэлектроники, очень критичных к перегреву. В этом случае потребуется приобрести паяльник с уже установленной внутри термопарой.
Схема термостабилизатора, рис. 5.9, выполнена на одной сдвоенной микросхеме DA1 (140УД20А) и симметричном тиристоре (симисторе) VS1. На элементе DA1.1 собран дифференциальный усилитель сигнала с термопары, а на DA1.2 — интегратор, который управляет работой генератора импульсов на одно переходном транзисторе VT1. Импульсы через разделительный трансформатор Т1 поступают на управление коммутатором VS1.
Использование в схеме интегратора, вместо обычно часто применяемого компаратора, позволяет обеспечить мягкую характеристику изменения мощности в нагревателе при выходе на режим термостабилизации. Это осуществляется за счет изменения времени заряда конденсатора С10, от которого зависит частота генератора, а значит, и начальный угол открывания симистора. Пока напряжение с выхода DA1/12 не превысит пороговое значение (на DA1/6), установленное резисторами, связанными с переключателем SA2, на выходе микросхемы DA1/10 будет напряжение +12 В, что обеспечит работу генератора (VT1) на максимальной частоте — симистор будет полностью открыт.
Для питания устройства потребуется трансформатор с двумя дополнительными обмотками по 18 В или одна, но с отводом в середине. Мощность трансформатора должна соответствовать мощности паяльника (электрическая схема блока управления потребляет ток не более 15 мА).
Импульсный трансформатор Т2 имеет такие же параметры, как и в схеме на рис. 4.10. Остальные детали могут применяться любого типа. Микросхему DA1 можно заменить двумя из серии 140УД7, но при этом может снизиться точность поддержания температуры.
При настройке термостабилизатора для полного открывания симистора может потребоваться поменять местами выводы на одной из обмоток импульсного трансформатора Т2 (важна фазировка управляющего импульса). Подстроечными резисторами, отмеченными "*", устанавливается необходимая температура при соответствующем положении переключателя SA1. Более точно нужную температуру можно установить при помощи резистора R15.
Чуть не забыл указать еще один способ, который может являться дополнением или разновидностью третьего. Вместо добавочного гасящего резистора можно использовать не полярный конденсатор из серии МБМ. Он обладает емкостным сопротивлением на частоте 50 Гц: Хс=1/314С. Чем больше номинал емкости, тем меньше ее сопротивление.
Рис. 5.7. Конструкция паяльника с перемещаемым жалом
Рис. 5.8. Схема регулятора температуры
Рис. 5.9. Электрическая схема термостабилизатора
19. Изготовление сетевого предохранителя на любой ток
Изготовление сетевого предохранителя на любой ток
Наибольшее распространение получили плавкие предохранители. Они дешевы и просты в изготовлении и в случае короткого замыкания в сети обеспечивает защиту проводки от возгарания.
Когда перегорает плавкий предохранитель, требуется быстро его заменить. Не всегда имеется запасной предохранитель на нужный ток. Проще всего защитный предохранитель выполнить из провода соответствующего диаметра. Причем диаметр провода для необходимого тока плавления (защиты) можно выбрать из таблицы, где приведены значения для разных металлов. В качестве основания для закрепления (припаивания) плавкой вставки может использоваться каркас перегоревшего.
Таблица 5.1 Значения токов плавления для проволоки из разных металлов
|
Ток, А |
Диаметр провода в мм |
Ток, А |
Диаметр провода в мм |
||||||
|
Медь |
Алюмин. |
Сталь |
Олово |
Медь |
Алюмин. |
Сталь |
Олово |
||
|
1 |
0,039 |
0,066 |
0,132 |
0,183 |
60 |
0,82 |
1,0 |
1,8 |
2,8 |
|
2 |
0,069 |
0,104 |
0,189 |
0,285 |
70 |
0,91 |
1,1 |
2,0 |
3,1 |
|
3 |
0,107 |
0,137 |
0,245 |
0,380 |
80 |
1,0 |
1,22 |
2,2 |
3,4 |
|
5 |
0,18 |
0,193 |
0,346 |
0,53 |
90 |
1,08 |
1,32 |
2,38 |
3,65 |
|
7 |
0,203 |
0,250 |
0,45 |
0,66 |
100 |
1,15 |
1,42 |
2,55 |
3,9 |
|
10 |
0,250 |
0,305 |
0,55 |
0,85 |
120 |
1,31 |
1,60 |
2,85 |
4,45 |
|
15 |
0,32 |
0,40 |
0,72 |
1,02 |
160 |
1,57 |
1,94 |
3,2 |
4,9 |
|
20 |
0,39 |
0,485 |
0,87 |
1,33 |
180 |
1,72 |
2,10 |
3,7 |
5,8 |
|
25 |
0,46 |
0,56 |
1,0 |
1,56 |
200 |
1,84 |
2,25 |
4,05 |
6,2 |
|
30 |
0,52 |
0,64 |
1,15 |
1,77 |
225 |
1,99 |
2,45 |
4,4 |
6,75 |
|
35 |
0,58 |
0,70 |
1,26 |
1,95 |
250 |
2,14 |
2,60 |
4,7 |
7,25 |
|
40 |
0,63 |
0,77 |
1,38 |
2,14 |
275 |
2,2 |
2,80 |
5,0 |
7,7 |
|
45 |
0,68 |
0,83 |
1,5 |
2,3 |
300 |
2,4 |
2,95 |
5,3 |
8,2 |
|
50 |
0,73 |
0,89 |
1,6 |
2,45 |
|
|
|
|
|
3. Электрооборудование, электроустановки
Электричество.
Работа электрика по обслуживанию электрооборудования сводится к поддержанию работоспособного и безопасного состояния электрических машин, пуско-защитных аппаратов, устройств освещения, сигнализации и автоматики, что все и называется электрооборудованием, а также проводов, кабелей, разъемов, зажимов, электромонтажных изделий и т. д.
В состав устройств могут входить различные элементы, например, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы. Электрик должен быть знаком со всеми этими элементами, аппаратами и устройствами, но при работе он встречает много вопросов и затруднений, особенно в молодом возрасте, когда мало опыта. Полезно все эти вопросы и затруднения не спеша проанализировать с книгой, но таких книг пока недостаточно.
Целью данного раздела суперэнциклопедии является знакомство электрика с электрооборудованием и другими составляющими электроустановок в части их безопасности, безотказности, увеличения срока службы.
1. Раздел 1.
Раздел 1.
Электрическая энергия является неотъемлемым благом цивилизации. Обладая легкой делимостью, транспортабельностью, универсальностью, она проникла во все сферы нашей жизни и обеспечивает комфорт в жилище, приготовление пищи, такие блага цивилизации, как связь, телевидение, радио и т. д.
В быту, на даче, на подсобных участках нам приходится соприкасаться и пользоваться сотнями электрических помощников, облегчающих труд и создающих комфорт. Грамотная их эксплуатация, элементарные работы по включению и подключению, замене отдельных элементов, ремонту — вот основные задачи, с которыми приходится сталкиваться практически каждому человеку. Часто неспециалисту сложно объяснить, что же он хочет от электроустановки, какие могут быть последствия несанкционированного вмешательства в ее работу, как уберечься от поражения электрическим током. Авторы осознавали объемность задач и поэтому ограничились наиболее общими и прикладными вопросами применения электрической энергии дома и на даче. Для удобства читателя сведения сгруппированы по тематике, а информация представлена в виде вопросов и ответов, что позволяет ее конкретизировать.
1. Электричество - Друг и Враг
Электричество - Друг и Враг
Электричество является не только источником благ, но и основой для многочисленных забот по его рациональному и безопасному использованию. Ответом на эти общие вопросы и посвящена настоящая глава.
Каков порядок допуска в эксплуатацию производственных потребителей?
Сложившаяся монополия государственных энергосистем определяет единство требований к порядку допуска в эксплуатацию потребителей. Основным правовым документом, регулирующим взаимоотношения энергоснабжающей организации и потребителя (абонента), является договор. В договоре указываются количество, сроки и качество подлежащей отпуску электроэнергии; категория потребителей; порядок определения цены отпускаемой электроэнергии; способ и условия контроля потребления электроэнергии с указанием приборов, по которым он будет производиться; формы расчета; обязательство обеспечить установленный договором режим потребления; обязательство потребителя допускать представителей электроснабжающей организации и органов Государственного энергонадзора для проверки технических средств коммерческого учета электроэнергии, состояния электрооборудования и электроустановок потребителей. Договоры на снабжение электроэнергией заключаются в письменной форме по инициативе абонента не позднее чем за три месяца до начала потребления. Договор не реже чем через каждые три года подлежит обновлению и корректировке. При сдаче собственности в аренду потребитель письменно сообщает энергоснабжающей организации наименование арендатора, характер деятельности и сроки аренды, заключает договор о взаимоотношениях с организацией-арендатором и продолжает расчеты за потребленную электроэнергию с электроснабжающей организацией по установленным тарифам.
Обязательным условием заключения договора на снабжение электроэнергией является наличие у потребителя: технических условий на присоединение к электрическим сетям энергоснабжающей организации; акта границ балансовой принадлежности и ответственности сторон; установленных и готовых к эксплуатации технических средств учета потребления электроэнергии; согласованной с энергоснабжающей организацией годовой потребности в электроэнергии и мощности, подтвержденной соответствующими документами.
Подача напряжения на новые электроустановки производится при наличии акта допуска их в эксплуатацию, заключения органа Госэнергонадзора о соответствии объекта утвержденной проектно-сметной документации после заключения договора на пользование электроэнергией, проверки и установки приборов учета и при наличии наряда Энергонадзора на включение электроустановки.
До пуска электроустановок в эксплуатацию они должны пройти приемосдаточные испытания и быть приняты потребителем от монтажной или пусконаладочной организации по акту в соответствии с действующими правилами. Электроустановки с сезонным характером работы (дома, зоны отдыха и т. п.) должны ежегодно перед включением предъявляться для осмотра инспектору Госэнергонадзора. В договоре между абонентом и энергоснабжающей организацией указываются данные о присоединенных к сети абонента субабонентах (наименование, мощность, электропотребление, расчетные счетчики, тарифы и т. д.).
Абоненты рассчитываются за электрическую энергию, потребленную ими и субабонентами, по тарифам, установленным для соответствующих групп потребителей, к которым они относятся (жилой сектор, электроплиты, производственные потребители и т. д.).
Kак и кого получить разрешение на подключение жилого дома?
После завершения монтажа электроустановок потребитель (владелец дома) должен подготовить документацию:
• согласованный проект электроснабжения (или подробную схему);
• протокол измерения сопротивления тока заземляющего устройства и повторного заземления;
• протокол проверки цепи между заземлителями и заземляющими элементами токоприемников;
• акт на скрытые работы по монтажу кабелей проводок и заземляющих устройств;
• технические паспорта на силовое электрооборудование и приборы учета с отметкой торгового предприятия или справку о приобретении;
• технические условия и справку владельца электрических сетей, ведавших технические условия, об их выполнении.
При наличии указанной документации потребитель подает заявление на отпуск электроэнергии и вызов представителя предприятия Энергонадзор. Представитель должен:
• осмотреть выполненный монтаж электроустановок на соответствие проекту и Правилам устройства электроустановок;
• проверить соответствие результатов проведенных испытаний нормам;
• провести инструктаж владельца электроустановок по основным мерам безопасности при эксплуатации, о чем делается соответствующая запись в заявлении-обязательстве владельца.
Право пользования электроэнергией потребителю предоставляется после допуска электроустановок к эксплуатации и выдачи абонентской книжки или абонентской карточки. Присоединение электроустановок к электросети производится персоналом предприятия, выдавшего технические условия, по наряду предприятия Энергонадзор.
Что делать если вы хотите использовать электрическую энергию для нагрева?
Для получения разрешения на применение электроэнергии для нагрева потребитель представляет материалы, обосновывающие целесообразность данного решения: технико-экономическое обоснование выбора электронагрева; перечень видов электротермической технологии; перечень электронагревательных устройств, предполагаемых к установке, с указанием их паспортных данных; перечень мероприятий по снижению потребляемой мощности в часы максимума нагрузки энергосистемы; перечень приборов и устройств, контролирующих включение нагрузки.
К технологическим процессам с использованием в тепловых процессах электрической энергии относят местный обогрев животных и птицы (коврики, брудеры, электрообогреваемые полы и т. п.):
нагрев воды и получение пара для запаривания кормов, пропаривания молочной посуды, промывки молокопроводов, пастеризации молока:
подогрев воды для поения скота; поддержание необходимого температурного режима в хранилищах фруктов, овощей и семенного зерна.
При применении электроводонагревателей мощностью более 10 кВт они должны быть оборудованы аккумуляторами нагретой воды.
Применение электронагревательных устройств для целей отопления и горячего водоснабжения в организациях, в помещении контор, клубов и т. д., где имеются источники центрального или местного теплоснабжения, а также в помещениях гаражей для личного автотранспорта запрещается.
Надо ли получать разрешение на установку стационарных электроплит и каков его порядок ?
Не требуется разрешение на установку стационарных плит для приготовления пищи:
- при установке бытовых кухонных плит в жилых домах высотой 9 и более этажей независимо от места их строительства и ведомственной принадлежности;
- при установке бытовых кухонных электроплит и электротитанов в общежитиях независимо от этажности;
- при установке электротермического оборудования в детских яслях-садах, общеобразовательных школах, школах-интернатах, техникумах, институтах, профтехучилищах, больницах и поликлиниках, в буфетах и кафе театров и кинотеатров.
Во всех прочих случаях разрешение должно быть выдано в соответствии с общими правилами получения разрешений на подключение электроэнергии для нагрева.
Как организуется учет электроэнергии?
Для коммерческого учета используют только технические средства, включенные в реестр Госстандарта. При питании от одного источника электроснабжения нескольких потребителей различных тарификационных групп приборы учета должны быть установлены для каждой тарификационной группы. Это требование касается как абонентов, так и субабонентов. В жилых домах расчетные электросчетчики устанавливают на каждую квартиру (абонента), а также для учета электроэнергии, расходуемой для общедомовых нужд (освещение подъездов, работа лифтов и т. п.).
Технические средства коммерческого учета (электросчетчики, сумматоры и т. п.) после согласования проекта с электроснабжающей организацией приобретаются и устанавливаются потребителями (абонентами) или организациями-застройщиками. Техническое обслуживание данных средств учета производит энергоснабжающая организация, она же проводит проверку и плановую их замену.
Технические средства коммерческого учета должны иметь на креплении кожухов пломбы Госстандарта, а также пломбы энергоснабжающей организации на крышках других средств, защищающих схемы учета от вмешательства извне.
При применении электрической энергии для нагрева должны предусматриваться электрические счетчики для расчета за потребленную электроэнергию по двум зонам суток (дневной, ночной). Данные приборы приобретаются, устанавливаются и эксплуатируются потребителем. Планируемые к установке приборы учета и устройства управления должны быть согласованы с электроснабжающей организацией на стадии проектирования.
При электроснабжении индивидуальных жилых домов и строений число и тип счетчиков определяются проектом и зависят от вида тарифа на потребляемую электроэнергию. Проект обязательно должен быть согласован с энергоснабжающей организацией и предприятиями Энергонадзора. Перед трехфазным счетчиком обязательно устанавливают отключающий аппарат (рубильник, автоматический или пакетный выключатель и т. п.). Счетчики должны быть непосредственного включения и иметь пломбу с клеймом госповерителя давностью на момент установки не более: трехфазные — 12 месяцев; однофазные — 2 года.
Приборы учета, отключающие аппараты и при необходимости другие устройства должны быть опломбированы. После счетчика, включенного непосредственно в питающую сеть, должен быть установлен аппарат защиты. Он должен устанавливаться возможно ближе к счетчику, но не далее чем на 10 м по длине электропроводки. Если после счетчика каждая линия снабжена аппаратами защиты, установка общего аппарата защиты не требуется.
Перед счетчиком должно быть установлено отключающее устройство в виде рубильника или двухполюсного выключателя для безопасной замены счетчика с приспособлением для пломбирования.
Кто имеет право обслуживать и эксплуатировать электрооборудование?
Эксплуатация электрооборудования бывает производственная и техническая. Производственная эксплуатация предполагает использование оборудования с целью получения технологического эффекта и производится технологическим персоналом или пользователем (электросоковыжималка — для получения сока, электроплита — для приготовления пищи и т. п.). В условиях производства этот персонал относится к 1-й группе по технике безопасности и периодически инструктируется.
Техническая эксплуатация направлена на обеспечение надежной и безопасной работы оборудования или восстановление его работоспособности и должна осуществляться квалифицированным электротехническим персоналом. Квалифицированным электротехническим персоналом считаются специально подготовленные лица, прошедшие проверку знаний в объеме, обязательном для данной работы, и имеющие квалификационную группу по технике безопасности. Групп по технике безопасности 5. Чем выше квалификационная группа, тем больше возможности электротехнического персонала. Лица со второй квалификационной группой могут выполнять работы в недействующих электроустановках, с третьей и выше — в действующих электроустановках.
В зависимости от вида помещений, условий окружающей среды, наличия или отсутствия токопроводящих предметов предъявляются различные требования по эксплуатации и устройству электрооборудования. Несоблюдение этих требований может привести к нарушениям в работе электроустановок, электротравмам, пожарам или взрывам.
Что такое категория по надежности электоснабжения и она обеспечивается?
Все потребители электрической энергии при питании от государственной энергосистемы различаются по надежности электроснабжения, иначе — по категориям.
Электроприемники I категории — это такие электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.
Электроприемники II категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
Электроприемники III категории — все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категории.
Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания. В качестве такого источника могут использоваться местные электростанции, аккумуляторные батареи и т. п. Примеры потребителей I категории — аварийнее освещение зрелищных предприятий, охранная сигнализация, инкубатории, предприятия канализации, варочные, операционные отделения и т. п.
Электроприемники II категории допускают перерыв в электроснабжении до одних суток, их электроснабжение может осуществляться по одной воздушной линии или по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному общему аппарату. К потребителям II категории относятся мастерские, молочно-товарные фермы, теплицы и т. п.
Потребители III категории могут питаться от одного источника электроснабжения, при условии, что время ремонта или замены поврежденного элемента не превышает одних суток. К потребителям III категории относят индивидуальные жилые дома, дачи и т. п.
Kак классифицируют электроустановки и помещения по условиям окружающей среды?
Электроустановкой называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены.
Открытыми, или наружными, электроустановками называются электроустановки, не защищенные зданием от атмосферных воздействий. Электроустановки, защищенные только навесами, сетчатыми ограждениями и т. п., рассматриваются как наружные.
Закрытыми, или внутренними, электроустановками называются электроустановки, размещенные внутри здания, защищающего их от атмосферных воздействий.
Электропомещениями называются помещения или отгороженные, например сетками, части помещения, доступные только для квалифицированного обслуживающего персонала, в которых расположены электроустановки.
Сухими помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха не превышает 60%.
Влажными помещениями называются помещения, в которых пары или конденсирующая влага выделяются лишь кратковременно в небольших количествах, а относительная влажность воздуха более 60%, но не превышает 75%.
Сырыми помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха длительно превышает 75%.
Особо сырыми помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха близка к 100% (потолок, стены, пол и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой).
Жаркими помещениями называются помещения, в которых под воздействием различных тепловых излучений температура превышает постоянно или периодически (более 1 сут)+ 35°С (например, помещения с сушилками, сушильными и обжигательными печами, котельные и т. п.).
Пыльными помещениями называются помещения, в которых по условиям производства выделяется технологическая пыль в таком количестве, что она может оседать на проводах, проникать внутрь машин, аппаратов и т. п.
Пыльные помещения разделяются на помещения с токопроводящей пылью и помещения с токонепроводящей пылью.
Помещениями с химически активной или органической средой называются помещения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образуются отложения или плесень, разрушающие изоляцию и токоведущие части электрооборудования. По опасности взрыва или пожара помещения бывают взрывоопасными (шесть классов — B-I, В-Iа,в, г, B-II и В-IIа) и пожароопасными (четыре класса - П-1, П-II, П-IIIa, П-III).
Kак классифицируют электроустановки и помещения по опастности поражения электрическим током?
Электроустановки по условиям электробезопасности делят на установки до 1000 В и установки выше 1000В, действующие и недействующие.
В отношении опасности поражения людей электрическим током различаются:
1. Помещения без повышенной опасности, в которых отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность.
2. Помещения с повышенной опасностью, характеризующиеся наличием в них одного из следующих условий, создающих повышенную опасность:
а) сырости или токопроводящей пыли;
б) токопроводящих полов (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т. п.);
в) высокой температуры;
г) возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т. п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования, — с другой.
3. Особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий, создающих особую опасность:
а) особой сырости;
б) химически активной или органической среды;
в) одновременно двух или более условий повышенной опасности.
4. Территории размещения наружных электроустановок. В отношении опасности поражения людей электрическим током эти территории приравниваются к особо опасным помещениям.
От чего зависит напряжение , применяемое в электроустановках?
Напряжение в электроустановках принимают стандартным с учетом класса помещений по условиям окружающей среды и опасности поражения электрическим током.
При питании от государственной энергосистемы номинальное напряжение питающей однофазной сети — 220 В, трехфазной — 380/ 220 В.
В помещениях без повышенной опасности это напряжение применяют без ограничений, в том числе и для электрифицированного инструмента.
В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных при выполнении открытых проводок их высота должна быть не менее 2, 5 м за исключением спусков к розеткам, выключателям аппаратов и т. д. При невозможности соблюсти это требование должно применяться пониженное (42 В и ниже) напряжение и выполняться проводки в трубах (например, проводки в подвалах на даче или в смотровой яме гаража и т. п.). Переносной электрифицированный инструмент применяют в этих помещениях на напряжение 36 В, а в особо опасных и на металлических полах или емкостях — при использовании дополнительных защитных средств (диэлектрических бот, перчаток, ковриков и т. п.).
Аналогичные требования предъявляются и к переносным осветительным приборам.
Какие различают виды поражения электрическим током?
Различают два вида поражения электрическим током: электрические травмы и электрический
удар.
Электрические травмы представляют собой местные поражения тканей электрическим током в виде ожогов, электрических знаков и металлизации кожи.
Ожоги возникают при прохождении через тело человека тока более 1 А, в результате чего в тканях выделяется тепло. При нагреве тканей до температуры 60 — 70°С свертывается белок и возникает ожог.
Электрические знаки появляются в месте контакта с токоведущими частями. Они выделяются в виде овальной или круглой припухлости с затвердевшей кожей желтоватого цвета, очерченной белой или серой каймой. Их появление связано с глубоким поражением живой ткани.
Электрометаллизация кожи — пропитывание поверхности кожи частицами металла при его разбрызгивании и испарении под действием тока при горении дуги.
Электрический удар (шок) наблюдается при воздействии тока до нескольких сотен миллиампер. Такой ток не вызывает ожогов, но, действуя на нервную систему и мышцы, может привести к параличу дыхательных мышц, а также мышц сердца, в отдельных случаях - к смертельному исходу.
Что называется напряжением прикосновения?
Если к заземленной установке, в которой возникло напряжение на корпус, прикоснется человек, он окажется под действием напряжения прикосновения.
Напряжением прикосновения называется разность потенциалов между опорными точками под ногами человека и руками, которыми он касается корпуса электроустановки, находящейся под напряжением.
Различают однофазное прикосновение, т. е. прикосновение к одной фазе сети, и двухфазное — прикосновение к двум фазам сети.
Однофазное прикосновение происходит и при одновременном прикосновении к фазному и нулевому проводам, но в этом случае возможность поражения током увеличивается ввиду уменьшения сопротивления, которое в данном случае состоит из сопротивления человеческого тела от руки к руке.
Двухфазное прикосновение более опасно - в этом случае человек попадает под полное линейное напряжение.
Напряжение прикосновения может достигнуть опасной величины в случае большого сопротивления заземлителя или обрыва заземления.
Как защитить себя и окружающих от поражения электрическим током?
Безопасность обслуживающего персонала и прочих потребителей электрической энергии от поражения электрическим током обеспечивается:
• применением изоляции, которая может быть повышенной, а в отдельных случаях — двойной;
• соблюдением расстояния до токоведущих частей или путем закрытия, ограждения токоведущих частей;
• применением блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям;
• надежным и быстродействующим автоматическим отключением частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением, поврежденных участков сети, в том числе защитного отключения;
• заземлением и заземлением корпусов оборудования и элементов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции;
• выравниванием потенциалов;
• применением разделительных трансформаторов;
• применением напряжений42 В и ниже переменного тока частотой 50 Гц и 110 В и ниже постоянного тока;
• применением предупреждающей сигнализации, надписей и плакатов;
• применением устройств, снижающих напряженность электрических полей;
• использованием средств защиты и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического поля в электроустановках, в кото
рых его напряженность превышает допустимые нормы.
В жилых, общественных и тому подобных помещениях устройства, служащие для ограждения и закрытия токоведущих частей, должны быть сплошные; в производственных помещениях и электропомещениях допускаются сплошные, сетчатые или дырчатые устройства.
Ограждающие и закрывающие устройства должны быть выполнены так, чтобы снимать или открывать их было можно лишь при помощи ключей или инструментов.
Какие защитные средства применяют в электроустановках?
Защитными средствами называют приборы, аппараты и переносные приспособления, предназначенные для защиты персонала, работающего в электротехнических установках, от поражения электрическим током. Изолирующие защитные средства делятся на основные и дополнительные.
В установках низкого напряжения основными защитными изолирующими средствами являются резиновые диэлектрические перчатки и галоши, инструмент с изолирующими рукоятками, указатели напряжения.
К дополнительным защитным средствам в установках низкого напряжения относятся резиновые коврики и изолирующие подставки.
Техническое состояние всех защитных средств, принятых в эксплуатацию, надо систематически проверять.
Перед вводом в эксплуатацию защитного средства необходимо проверить его исправность и соответствие защитного средства напряжению установки (табл.1).
Таблица 1. Периодичность и нормы электрических испытаний защитных средств
|
Наименование защитных средств |
Напряжение электроустановки, кВ |
Испытательное напряжение, кВ |
Продолжительность испытания, мин |
Ток утечки (не более), мА |
Сроки периодических испытаний, мес |
|
Перчатки резиновые диэлектрические |
До 1 |
2,5 |
1 |
2,5 |
6 |
|
Тоже |
Выше 1 |
6,0 |
1 |
6,0 |
6 |
|
Боты резиновые диэлектрические |
Любое |
15 |
1 |
7,5 |
36 |
|
Галоши резиновые диэлектрические |
До 1 |
3,5 |
1 |
2,0 |
12 |
|
Коврики резиновые |
До1 |
3,0 |
Протягиванием их между цилиндрическими электродами со скоростью 2-3 см/с |
3,0 |
24 |
|
Тоже |
Выше 1 |
15 |
Тоже |
15 |
24 |
|
Инструмент с изолирующими рукоятками |
До 1.0 |
2,0 |
1 |
- |
12 |
|
Токоизмерительные клещи |
До 0,04 |
0,5 |
5 |
- |
12 |
|
Тоже |
0,04-0,65 |
2,0 |
5 |
- |
12 |
|
—— » —— |
0,65-1 |
3,0 |
5 |
- |
12 |
|
Изолирующие подставки |
Любое |
40 |
1 |
- |
24 |
Какие выпускаются устройства защитного отключения?
Защитно-отключающие устройства предназначены для защиты от поражения током людей, работающих с электроустановками переменного тока. В настоящее время разработано большое количество схем защитного отключения. Технические характеристики некоторых устройств, применяемых в сетях с заземленной нейтралью, приведены в таблице 2.
Таблица 2. Технические характеристики защитно-отключающих устройств для передвижных и переносных токоприемников
|
Тип |
Отключаемая мощность, кВт |
Напряжение, В |
Уставка защиты, мЛ |
Время отключения, с |
Масса, кг |
|
ИЭ-9801 |
2,2/1,1 |
220/380 |
10 |
0,05 |
2,5 |
|
ИЭ-9802 |
4,0/2,2 |
220/380 |
10 |
0,05 |
4,0 |
|
ИЭ-9811 |
1,1/0,6 |
220/380 |
10 |
0,05 |
3,0 |
|
ИЭ-9812 |
4,0/2,2 |
220/380 |
10 |
0,05 |
3,0 |
В сетях с заземленной и изолированной нейтралью можно применять защитно-отключающие устройства типа ЗОУП-25. Они рассчитаны на ток потребителя до 25 А при напряжении 380 В; уставка защиты —10 мА, время отключения — 0,05 с, масса — 4,5 кг. При работе с электроинструментами однофазного тока общей мощностью 0,6 кВт при 220 В применяют защитно-отключающие устройства ЗОУ-1. Для электросварочных установок по своим параметрам, электрической схеме и конструктивному выполнению из серийно выпускаемых защитно-отключающих устройств наиболее перспективно устройство типа УСНТ-4. Оно может применяться для укомплектования сварочных установок переменного тока с током сварки от 60 до 500 А. Устройство УСНТ-4 обеспечивает снижение напряжения холостого хода при ручной сварке и не снижает качества сварки.
Kак проверить наличие напряжения в сети?
Проверяют наличие напряжения в сети или на оборудовании указателями («пробниками»), измерительными приборами. Запрещено использовать лампочки («контрольки»).
Рис. 1. Пробники и индикаторы с разнообразным питанием для проверки целости обесточенной электроцепи: а, б, в — от батарейки для карманного фонарика; г —от электросети с напряжением 127 или 220 В; а — оформление транзисторного пробника со световой индикацией; е — искровой пробник типа «Тест» с пьезогенератором; 1 — проволочный патрон; 2 — батарейка; 3 — наушник; 4 — резистор; 5 — измерительный электроприбор; 6 — розетка; 7 — корпус цангового карандаша; 8 -щуп; 9 — глазок над светодиодом; 10 — проводящая часть корпуса; 11 — зажим типа «крокодил»; 12 — курок
Указатели низкого напряжения до 1000 В бывают однополюсные и двухполюсные (рис. 1).
Однополюсные указатели напряжения предназначены для проверки наличия напряжения и определения фазных проводов в электроустановках временного тока при подключении счетчиков, выключателей, патронов электроламп, предохранителей и т. п. Они работают по принципу протекания емкостного тока.
Однополюсный указатель напряжения состоит из сигнальной неоновой лампы типа ИН-3 или МН-3 и резистора типа МЛТ на 1 — 3 МОм, помещенных в корпус из изоляционного ударопрочного материала. Однополюсные указатели напряжения имеют специальную маркировку: УНН-1м, УНН-lx, УНН-90, ИН-90, ИН-91 и др.
Рабочее напряжение указателя типа УНН-1м -90 — 660 В переменного тока частотой 50 Гц; напряжение зажигания — 70 В. Ток, протекающий через указатель при напряжении 660 В, — не более 0, 6 мА. Масса указателя — 0, 1 кг.
Двухполюсные указатели напряжения предназначены для проверки наличия и отсутствия напряжения в электроустановках переменного тока и работают по принципу протекания активного тока.
Двухполюсные указатели напряжения МИН-1 и УНН-10 состоят из сигнальной лампы типа ИН-3, МН-3 или МТХ-90 и двух резисторов МЛТ-2 — ограничивающего и шунтирующего. Элементы указателя напряжения помещены в два корпуса из изоляционного материала, соединенных между собой гибким проводом с изоляцией повышенной надежности.
Рабочее напряжение указателя типа УНН-10 — 70 - 660 В переменного тока и 100 - 700 В
постоянного тока. Напряжение зажигания - 60 -65 В. Масса указателя - 0, 15 кг.
Кроме того, выпускаются двухполюсные пробники напряжения ПН-1, позволяющие по величине светящегося столба и сигнальной лампы определить величину измеренного напряжения, фазные и нулевой провода.
Какие требования техники безопасности предъявляются при эксплуатации переносных
электрофицированных инструментов?
Для обеспечения безопасности корпус переносного электроинструмента должен быть занулен. Штепсельные соединения выполняются таким образом, чтобы фазные выводы нельзя было спутать с зануляющими. Так, в трехфазном штепсельном соединении три фазных вывода расположены рядом, а зануляющий на некотором расстоянии от них. Если электроинструмент однофазный, то зануляющий вывод расположен между рабочими выводами. Зануляющий штырек должен быть длиннее остальных, чтобы включить зануление раньше включения рабочих жил.
В месте ввода провода в корпус электроинструмента на провод надевают гибкие рукава или манжеты, предохраняющие изоляцию провода от перетирания о край корпуса.
Напряжение инструмента не должно превышать 380/220 В при использовании его в помещениях без повышенной опасности и 36 В в остальных помещениях или вне их.
В особо опасных помещениях, а также внутри котлов и резервуаров даже инструмент на 36 В нужно использовать с применением изолирующих защитных средств.
К работе с электроинструментом допускаются лица, обученные безопасному обращению с ним. Каждый электроинструмент закрепляют за конкретным лицом. При неисправностях нельзя самостоятельно на рабочем месте ремонтировать электроинструмент или его провод и штепсельные соединения; такой ремонт обычно бывает низкого качества. Не реже одного раза в месяц надо проверять мегаомметром изоляцию ручного электрифицируемого инструмента, понижающих трансформаторов и преобразовательной частоты, а также отсутствие обрыва заземляющей (зануляющей) жилы в питающем проводе. При каждой выдаче электроинструмент необходимо проверить при помощи специального стенда или прибора (нормо-метра).
Какие требования техники безопасности предъявляются к переносным светильникам?
Рукоятка переносного светильника должна быть выполнена из изоляционного материала, а патрон и лампа закрыты предохранительной металлической сеткой. Для подвода напряжения используют гибкий шланговый шнур.
Переносные светильники, подключенные к сети напряжением 110 — 220 В, могут представлять значительную опасность при повреждении изоляции провода. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных переносные светильники применяют на напряжение не выше 36 В. В случае, если рабочий может соприкасаться с металлическими (хорошо заземленными) поверхностями или находится в особо сырых помещениях (в баках, колодцах, котлах), для питания переносных светильников применяют напряжение не выше 12 В.
Переносные светильники присоединяют к сети напряжением 12 - 36 В или к сети 110 - 220 В через понижающие трансформаторы. Длина проводов от штепсельной розетки на 127 — 220 В до переносного трансформатора должна быть не более 2 м. У понижающих трансформаторов корпус и обмотки низшего напряжения заземляют, открытые незащищенные токоведущие части ограждают.
При работе внутри металлических баков и котлов понижающий трансформатор располагают снаружи. Изоляцию переносных проводов, а также понижающих трансформаторов проверяют мегаомметром не реже одного раза в месяц.
Какие требования предъявляются к лестицам и стремянкам?
Для изготовления лестниц и стремянок необходимо использовать сухое дерево, желательно без сучков. Ступени (перекладины) врезают в тетивы и через каждые 2 м скрепляют стяжными болтами. Запрещается работать на лестницах и стремянках, у которых перекладины прибиты гвоздями. Разрешается использовать приставные деревянные лестницы длиной не более 5 м и шириной не менее 0,5 м. Нижние концы лестниц и стремянок должны быть снабжены шипами или резиновыми наконечниками. Если пол деревянный крашеный, паркетный, асфальтовый, бетонный и т.д., используются резиновые наконечники; если же пол земляной или деревянный торцовый, применяются металлические шипы. Нельзя устанавливать лестницы и стремянки на дополнительные промежуточные сооружения из ящиков, бочек и др.
Как освободить человека от воздействия электрического тока?
При соприкосновении человека с токоведущими частями надо немедленно освободить его от действия тока, быстро отключив ту часть установки, к которой прикоснулся пострадавший. В том случае, когда с отключением электроустановки одновременно отключается и электрическое освещение, необходимо обеспечить освещение от других источников. Если выключатель находится далеко и установку нельзя отключить достаточно быстро, надо принять меры к отделению пострадавшего от токоведущих частей.
Оказывающий помощь должен принять необходимые меры-предосторожности: надеть диэлектрические перчатки, галоши или обернуть руки сухой тканью и подложить под ноги сухую одежду или сухую доску.
Если поблизости окажется топор, можно, подсунув под провода доску, перерубить их. Рубить каждый провод надо в отдельности. Топорище должно быть совершенно сухим.
Можно также перекусить каждый провод в отдельности кусачками или пассатижами с изолированными ручками.
При отделении пострадавшего от токоведущих частей или проводов нельзя прикасаться к его телу незащищенными руками.
Как оказать доврачебныю помощь пострадавшему?
Сразу же после освобождения человека от действия электрического тока необходимо определить характер оказания первой помощи и вызвать врача. Если пострадавший находится в сознании, его следует уложить в удобное положение, освободить от стесняющей дыхание одежды, обеспечить доступ свежего воздуха и обязательно накрыть. До прихода врача необходимо наблюдать за дыханием и пульсом.
Когда человек находится в бессознательном состоянии, но сохраняется устойчивое дыхание и пульс, пострадавшему следует дать понюхать нашатырный спирт и обрызгать лицо водой.
Если пострадавший не дышит или дышит очень редко и судорожно, ему следует немедленно начать делать искусственное дыхание. Для этого пострадавшего кладут на спину. Оказывающий помощь одну руку подкладывает под шею пострадавшего, а другой старается как можно больше запрокинуть его голову назад. При таком положении головы восстанавливается проходимость дыхательных путей — запавший язык отходит от задней стенки гортани.
Следует проверить, нет ли во рту посторонних предметов и при помощи носового платка освободить рот от слизи; под лопатки надо подложить валик из свернутой одежды.
Сделав глубокий вдох, надо через марлю или платок вдувать воздух в рот пострадавшего. Выдох будет происходить самопроизвольно. Вдувание воздуха производят через каждые 5 — 6 с.
Если челюсти у пострадавшего плотно стиснуты и их нельзя быстро разжать, необходимо производить искусственное дыхание методом «рот в нос», т. е. вдувать воздух в нос пострадавшего.
Когда воздух вдувается в рот, рукой зажимают нос пострадавшего, а если вдувание производится в нос, зажимают рот. Маленьким детям воздух вдувают одновременно в рот и нос.
Для искусственного дыхания по способу «рот в рот» наша промышленность выпускает ручные портативные аппараты РПА-1 и РПА-2. Этими аппаратами осуществляется ритмичное вдувание в легкие пострадавшего атмосферного воздуха в одном из заданных объемов: 0, 25; 0, 5; 1; 1, 5 л.
Помимо искусственного дыхания рекомендуется производить также наружный массаж сердца. Для этого грудную клетку пострадавшего освобождают от одежды, а спину его укладывают на твердое основание. Ноги пострадавшего следует приподнять примерно на 0, 5 м.
При нахождении потерпевшего в состоянии мнимой смерти рекомендуется производить комплексное оживление — искусственное дыхание совместно с массажем сердца. Наиболее целесообразно проводить оживление вдвоем, в этом случае можно поочередно проводить искусственное дыхание и массаж сердца.
Если первую помощь оказывает один человек, он делает пострадавшему 2—3 глубоких вдувания, после чего в течение 15—20 с проводит массаж сердца, затем снова искусственное дыхание, опять. массаж и т. д.
О восстановлении сердечной деятельности свидетельствует появление пульса, который сохраняется, если на несколько секунд прекратить массаж.
Как проверить эффективность оказываемой помощи?
При правильном проведении искусственного дыхания каждое вдувание вызывает расширение грудной клетки, прекращение вдувания вызывает ее спадание, сопровождаемое характерным шумом при выходе воздуха из легких пострадавшего через рот и нос. При затруднении вдувания надо проверить, свободны ли дыхательные пути пострадавшего.
Эффект наружного массажа сердца проявляется в первую очередь в том, что каждое надавливание на грудину вызывает появление пульса — на лучевой артерии у запястья или на сонной артерии на шее.
При правильном проведении искусственного дыхания и массажа сердца у пострадавшего появляются следующие признаки оживления: улучшается цвет лица — оно приобретает розовый оттенок вместо серо-землистого цвета с синеватым оттенком, который был до оказания помощи; появляются самостоятельные дыхательные движения, которые становятся все более и более равномерными по мере продолжения мероприятий по оживлению; сужаются зрачки.
Степень сужения зрачков может служить наиболее точным показателем эффективности оказываемой помощи. Узкие зрачки указывают на достаточное снабжение мозга кислородом. Начинающееся расширение зрачков указывает на ухудшение кровообращения мозга.
Следует помнить, что даже кратковременное прекращение искусственного дыхания или массажа сердца может привести к непоправимым последствиям.
При поражении электрическим током ни в коем случае нельзя зарывать пострадавшего в землю, так как это принесет ему только вред.
Kак погасить огонь в действующих электоустановках?
При тушении пожара в электроустановках, находящихся под напряжением, надо применять ручные огнетушители типа ОУ-2 и ОУ-5.
Для приведения в действие этих огнетушителей необходимо левой рукой взяться за ручку, а правой повернуть маховичок вентиля в направлении против часовой стрелки до отказа.
После этого из раструба огнетушителя начнет выбрасываться струя углекислоты длиной около 2 м. Действие огнетушителя ОУ-2 - 30 с, а ОУ-5 - 50 с.
Во время тушения пожара необходимо отключить электроустановку. После ликвидации очагов пожара включать электроустановку можно только после очистки, проверки и восстановления нормального состояния всех питающих ее линий.
Применять пенные огнетушители нельзя, так как пена является хорошим электропроводником.
Рис. 1. Пробники и индикаторы с разнообразным питанием для проверки целости обесточенной электроцепи:
2. Электрические помощники в доме,на даче и в хозяйстве.
Электрические помощники в доме,на даче и в хозяйстве.
Многообразие электрических помощников и особенности их устройства, подключения и автоматизации не позволяют в ограниченном объеме изложить достаточно полно все особенности их устройства, тем более что их парк постоянно расширяется и совершенствуется.
Нами рассмотрены некоторые общие элементы устройств (электродвигатели, нагреватели, пускозащитная аппаратура), их выбор, подключение, а также некоторые из устройств в комплексе, позволяющие непрофессионалу сориентироваться в объектах воздействия и при необходимости выполнить замену или ремонт.
1. Какие бывают электрические двигатели и где они применяются?
Какие бывают электрические двигатели и где они применяются?
Электрические двигатели бывают постоянного и переменного тока (рис. 2). Наиболее распространены электрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству, неприхотливы в эксплуатации. Основной недостаток — практически не регулируемая частота вращения.
Электрические двигатели переменного тока изготавливают одно- и многофазными. Основные элементы таких двигателей — статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Выпускаются электродвигатели с коротко замкнутыми обмотками ротора (типа беличьей клетки) и обмотками, выведенными на коллектор (систему контактных колец) и замыкающимися через регулируемые резисторы. Такие роторы называют фазными, а электродвигатели — электродвигателями с фазным ротором.
Электрические двигатели переменного тока применяют для привода рабочих машин различного назначения (насосы, деревообрабатывающие станки, дробилки и т. д.), не требующих регулирования частоты вращения. Выпускаются на мощности от 0, 2 до 200 и более киловатт.
Электродвигатели постоянного тока состоят из подвижной части (якоря) и неподвижной части (статора). Они выпускаются с параллельным, последовательным и смешанным соединением обмоток якоря и статора. Достоинством двигателей постоянного тока является способность регулировать частоту вращения, но они требуют значительных усилий при эксплуатации.
Рис. 2. Электрические двигатели: а — постоянного тока; б — синхронные; в ~ асинхронные с фазным ротором; г — асинхронные трехфазные с коротко замкнутым ротором серии 4А. 1 — вал, 2 ~ шпонка, 3 —подшипник, 4 — статор, 5 — обмотка статора, 6 — ротор (якорь); 7 — вентилятор; 8 — коробка выводов; 9 — лапа, 10 — коллектор; 11 — щетки; l1, l2 — продольное и поперечное расстояния в лапах; l3 — длина выступающего конца вала; l4. — размер выступающей крышки; h — высота оси вращения; d1, d2 — диаметры вала и отверстий в лапах.
Универсальные коллекторные двигатели применяются в промышленных и бытовых электроустановках (электрифицированный инструмент, вентиляторы, холодильники, соковыжималки, мясорубки, пылесосы и др.). Они рассчитаны для работы как от сети постоянного тока (110 и 220 В), так и от сети переменного тока частотой 50 Гц (127 и 220 В). Эти двигатели имеют большой пусковой момент и сравнительно малые размеры.
По своему устройству универсальные коллекторные двигатели принципиально не отличаются от двухполюсных двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
В универсальных коллекторных двигателях не только якорь набирается из листовой электротехнической стали, но и неподвижная часть магнитопровода (полюса и ярмо).
Обмотка возбуждения этих двигателей включается с обеих сторон якоря. Такое включение (симметрирование) обмотки позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.
Для получения примерно одинаковых частот вращения при номинальной нагрузке как на постоянном, так и на переменном токе обмотку возбуждения выполняют с ответвлениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотку возбуждения используют полностью, а при работе от сети переменного тока — лишь частично.
Вращающий момент создается за счет взаимодействия тока в обмотке якоря (ротора) с магнитным потоком возбуждения.
Эти двигатели выпускаются на сравнительно небольшие мощности — от 5 до 600 Вт (для электроинструмента — до 800 Вт) и частоты вращения — 2770 — 8000 об/мин. Пусковые токи таких двигателей невелики, поэтому их в сеть включают непосредственно без пусковьк сопротивлений. Универсальные коллекторные двигатели имеют минимум четыре вывода: два для подключения к сети переменного тока и два для подключения к сети постоянного тока. КПД универсального двигателя на переменном токе ниже, чем на постоянном. Это вызвано повышенными магнитными и электрическими потерями. Величина тока, потребляемого универсальным двигателем при работе на переменном токе, больше, чем при работе этого же двигателя на постоянном токе, так как переменный ток помимо активной составляющей имеет еще и реактивную составляющую.
Частоту вращения таких двигателей регулируют, изменяя подводимое от сети напряжение, например, автотрансформатором, а у двигателей небольшой мощности — реостатом.
Однофазный коллекторный двигатель нельзя пускать в ход при малой нагрузке, потому что он может пойти «вразнос».
Отечественная промышленность выпускает универсальные коллекторные двигатели серий УЛ, МУН, УМТ, ДТА-4, УВ, М-1Д, ЭП, УД, Д2-03, ЭПП-1 и др.
Рис. 2. Электрические двигатели
2. Какие паспортные данные указываются на щитке асинхронного электродвигателя?
Какие паспортные данные указываются на щитке асинхронного электродвигателя?
Каждый двигатель снабжается техническим паспортом в виде приклепанной металлической таблички, на которой приведены основные характеристики двигателя. В паспорте указан тип двигателя. В нашем случае это двигатель типа 4А100S2УЗ (рис.3): асинхронный электродвигатель серии 4А закрытого исполнения с высотой оси вращения 100 мм, с короткой длиной корпуса, двухполюсный, климатического исполнения У, категории 3.
Заводской N 100592 дает возможность отличить электрическую машину среди однотипных.
Далее приведены цифры и символы, которые расшифровываются следующим образом:
3 ~ — двигатель трехфазного переменного тока;
50 Hz — частота переменного тока (50 Гц), при которой двигатель должен работать;
4, 0 KW — номинальная полезная мощность на валу электродвигателя; cosф=0,89 — коэффициент мощности; A/Y — обмотка статора может соединяться в треугольник или в звезду;
. 220/380V, 13, 6/7, 8А — при соединении обмотки статора в треугольник она должна включаться на напряжение 220 В, а при соединении в звезду — на напряжение 380 В. При этом машина, работающая с номинальной нагрузкой, потребляет 13, 6 А при включении на треугольник и 7, 8 А — при включении на звезду;
S1— двигатель предназначен для длительного режима работы;
2880 об/мин — частота вращения электродвигателя при номинальной нагрузке и частоте сети 50 Гц. Если двигатель работает вхолостую, частота вращения ротора приближается к частоте вращения магнитного поля статора;
КПД = 86, 5% — номинальный коэффициент полезного действия двигателя, соответствующий номинальной нагрузке на его валу;
IP44 — степень защиты. Двигатель изготовлен во влагоморозостойком исполнении. Может работать в среде с повышенной влажностью и на открытом воздухе.
В паспорте указан ГОСТ, класс изоляции обмотки (для класса В предельно допустимая температура 130°С), масса машины и год выпуска.
Рис. 3. Табличка с паспортными данными электродвигателя серии 4А.
Рис. 3. Табличка с паспортными данными электродвигателя серии 4А.
3. Как обозначаются выводы обмоток электрических машин?
Как обозначаются выводы обмоток электрических машин?
При соединении обмоток статора трехфазных машин переменного тока звездой приняты следующие обозначения начала обмоток: первая фаза — С1, вторая фаза — С2, третья фаза — СЗ, нулевая точка — 0.
При шести выводах начало обмотки первой фазы
— С1, второй —С2, третьей — СЗ; конец обмотки первой фазы — С4, второй — С5, третьей — Сб.
При соединении обмоток в треугольник зажим первой фазы — С1, второй фазы — С2 и третьей фазы - СЗ.
У трехфазных асинхронных электродвигателей роторная обмотка первой фазы — Р1, второй фазы
— Р2, третьей фазы — РЗ, нулевая точка — 0.
У асинхронных многоскоростных электродвигателей выводы обмоток для 4 полюсов — 4С1, 4С2, 4СЗ; для 8 полюсов - 8С1, 8С2, 8СЗ и т. п.
У асинхронных однофазных двигателей начало главной обмотки —С1, конец — С2; начало пусковой обмотки — П1, конец — П2. В электродвигателях малой мощности, где буквенное обозначение выводных концов затруднено, их можно обозначать разноцветными проводами.
При соединении звездой начало первой фазы имеет желтый провод, второй фазы — зеленый, третьей фазы — красный, нулевая точка — черный.
При шести выводах начала фаз обмоток имеют такую же расцветку, как и при соединении звездой, а конец первой фазы — желтый с черным провод, второй фазы — зеленый с черным, третьей фазы — красный с черным.
У асинхронных однофазных электродвигателей начало вывода главной обмотки — красный провод, конец — красный с черным. У пусковой обмотки начало вывода — синий провод, конец — синий с черным.
В коллекторных машинах постоянного и переменного тока начало обмотки якоря обозначается белым цветом, конец - белым с черным; начало последовательной обмотки возбуждения - красным, конец - красным с черным, дополнительный вывод — красным с желтым; начало параллельной обмотки возбуждения — зеленым, конец - зеленым с черным. У синхронных машин (индукторов) начало обмотки возбудителя — И1, конец — И2.
У машин постоянного тока начало обмотки якоря - Я1, конец - Я2. Начало компенсационной обмотки - К1, конец - К2; начало обмотки добавочных полюсов - Д1, конец - Д2; начало обмотки возбуждения последовательной-С1, конец - С2; начало обмотки возбуждения параллельной (шунтовой) - Ш1, конец - Ш2; начало обмотки или провода уравнительного — У1, конец — У2.
4. Какие применяются формы исполнения электрических машин по способу крепления и монтажа?
Какие применяются формы исполнения электрических машин по способу крепления и
монтажа?
По расположению и конструкции подшипников, а также по способу крепления и монтажа электрические машины имеют несколько форм исполнения (рис. 4).
Рис. 4. Исполнение электрических двигателей по способу крепления
Наиболее употребительной формой исполнения являются электрические машины с горизонтальным расположением вала, с двумя щитовыми подшипниками и станиной на лапах для крепления установки на горизонтальном основании, стене и потолке.
У электрических машин с фланцевым креплением может и не быть лап. В этом случае фланец располагается на станине или на подшипниковом щите.
Машины с двумя щитовыми подшипниками могут работать и в вертикальном положении. Подшипники электродвигателей для вертикальной установки рассчитаны только на массу ротора и соединительной муфты и не допускают добавочной осевой нагрузки.
Наиболее распространенные формы исполнения электродвигателей серии 4А, Да,АОЛ2 приведены на рис. 4.
Рис. 4. Исполнение электрических двигателей по способу крепления
5. Kак изменяются параметры трехфазного асинхронного двигателя при условиях, отличных от номинальных?
Kак изменяются параметры трехфазного асинхронного двигателя при условиях, отличных от номинальных?
Понижение напряжения при номинальной частоте приводит к уменьшению тока холостого хода и магнитного потока, а значит, и к уменьшению потерь в стали. Величина тока статора, как правило, повышается, коэффициент мощности увеличивается, скольжение возрастает, а КПД несколько падает. Вращающий момент двигателя уменьшается, так как он пропорционален квадрату напряжения.
При повышении напряжения сверх номинального и номинальной частоте двигатель перегревается из-за увеличения потерь в стали. Вращающий момент двигателя растет, величина скольжения уменьшается. Ток холостого хода увеличивается, а коэффициент мощности ухудшается. Ток статора при полной нагрузке может уменьшиться, а при малой нагрузке может увеличиться вследствие увеличения тока холостого хода.
При уменьшении частоты и номинальном напряжении увеличивается ток холостого хода, что приводит к ухудшению коэффициента мощности. Ток статора обычно возрастает. Увеличиваются потери в меди и стали статора, охлаждение двигателя несколько ухудшается вследствие уменьшения частоты вращения.
При повышении частоты сети и номинальном напряжении уменьшается ток холостого хода и вращающий момент.
6. Как высушить изоляцию обмоток?
Как высушить изоляцию обмоток?
Сопротивление изоляции обмотки статора между фазами и между фазами и корпусом, измеренное мегаомметром, должно быть не менее 0, 5 МОм. В случае значительного снижения сопротивления изоляции обмотки двигателя ее нужно подсушить внешним нагревом, методом потерь в стали или током короткого замыкания. Внешний нагрев применяют в том случае, если машина сильно отсырела. Для этого изоляцию обмоток обдувают горячим воздухом (рис. 5, а), используя воздуходувки с калориферами, лампы накаливания и нагревательные сопротивления. Мощность нагревательных элементов 3—10 кВт. Одновременно можно пропускать через обмотки ток. Величину тока при этом поддерживают в пределах 0, 4 — 0, 7 номинального тока электродвигателя. Для быстроходных двигателей (выше 1000 об/мин) берут нижние пределы тока, а для тихоходных (ниже 1000 об/мин) — более высокие значения тока.
Необходимое количество воздуха в минуту должно быть равно полуторному объему камеры, в которой сушат электродвигатель. Мощность нагревательного элемента в киловаттах должна быть численно равна объему камеры в кубических метрах. Если объем камеры для сушки двигателя равен 8м^3, то объем горячего воздуха, который надо пропускать в одну минуту через эту камеру, должен составлять 12 м^3, а мощность электронагревательного элемента — 8 кВт.
Для сушки изоляции обмоток током короткого замыкания (рис. 5, б) обмотки отдельных фаз замыкают накоротко и подают к ним пониженное
Рис. 5. Сушка изоляции электродвигателей: а —в камере с использованием воздуходувки; б —током короткого замыкания; в—при помощи специальной намагничивающей обмотки
напряжение. Источником напряжения при этом обычно служат сварочные трансформаторы.
Сверху электродвигатель покрывают теплоизолирующим материалом. Ток в обмотках статора доводят до 50% от номинального и поддерживают его на этом уровне 2 — 3 ч. В течение последующих 3 ч (с интервалами в 20 — 30 мин) ток доводят до 90% номинального. В первые 3 — 5 ч температура обмоток не должна превышать 40 —50°С, после 8 — 10 ч сушки — 60 — 70°С. При этом температура выходящего воздуха не должна быть выше 50°С, а температура изоляции обмотки не должна превышать 70°С. Через каждые 2 ч проверяют термометром температуру обмоток и измеряют мегаомметром сопротивление их изоляции.
Процесс сушки электродвигателя можно считать законченным, если при температуре горячего воздуха 50 — 60°С сопротивление изоляции будет оставаться неизменным в течение 3 — 5 ч.
Для сушки изоляции обмоток статора электродвигателя любой мощности можно использовать потери мощности на вихревые токи в активной стали. Эти токи образуются в результате создания в стали статора переменного магнитного поля с помощью специальной обмотки (рис. 5, в). Намагничивающий ток выбирают в пределах 60 — 200 А, а число витков обмотки от 6 до 28. Напряжение на один виток обмотки 3 — 4, 5 В. Источником энергии служат сварочные трансформаторы. В начале сушки надо ускорить подъем температуры, а потом снизить ее до такого уровня, который необходим лишь для того, чтобы потери в стали покрывали потери тепла. Для этого обычно снижают подводимое напряжение или увеличивают число витков намагничивающей обмотки.
Для сушки изоляции обмоток электродвигателя можно применять лампы инфракрасного излучения с зеркальными отражателями или обычные электрические лампы. Лампы монтируют в сушильном шкафу. Температуру воздуха в нем поддерживают в пределах 100 — 110°С.
Для сушки обмоток можно применять переменный ток пониженного напряжения (в 3 — 5 раз меньше номинального). Ток в обмотке статора регулируют так, чтобы температура ее не превосходила 60 — 75°С. Продолжительность сушки небольших электродвигателей 8 — 12 ч.
Рис. 5. Сушка изоляции электродвигателей:
7. Как включить трехфазный электродвигатель в однофазную сеть?
Как включить трехфазный электродвигатель в однофазную сеть?
Наиболее распространенные схемы включения с использованием конденсаторов показаны на рис. 6.
Напряжение сети подводят к началам двух фаз. К началу третьей фазы и одному из сетевых зажимов присоединяют рабочий конденсатор Ср и отключаемый (пусковой) Сп, применяемый для увеличения пускового момента.
Если пуск двигателя происходит без нагрузки, то конденсатор Сп не используется. После пуска двигателя пусковой конденсатор отключают.
Изменяют направление вращения (реверсирование) путем переключения сетевого провода с одного зажима конденсатора на другой.
Рабочая емкость пропорциональна мощности двигателя (номинальному току) и обратно пропорциональна напряжению.
Для схемы рис. 6, а
Ср = 2800*Iном/U
Для схемы рис. 6, б
Ср = 4800* Iном/U
где Ср — рабочая емкость для номинальной нагрузки, мкФ;
Iном — номинальный ток, А;
U — напряжение однофазной сети, В.
За номинальные ток и напряжение принимают
Рис. 6. Схемы включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть: а — при помощи конденсаторов при включении электродвигателя в звезду; б — при помощи конденсаторов при включении электродвигателя в треугольник; в — при помощи активного сопротивления при включении электродвигателя в треугольник; г — при помощи активного сопротивления при включении электродвигателя в звезду; QS — включающее устройство (рубильник); FU — предохранители; SB — пусковая кнопка; Ср, Сп — соответственно рабочий и пусковой конденсаторы
фазные значения величин, указанных в паспорте электродвигателей.
В качестве рабочих могут применяться конденсаторы типов КБГ-МН (конденсатор бумажный, герметический, в металлическом корпусе, нормальный), БГТ (бумажный, герметический, термостойкий), МБГЧ (металлобумажный, герметический, частотный).
При определении пусковой емкости исходят из пускового момента. Если пуск двигателя происходит без нагрузки, пусковой емкости не требуется. Чтобы получить пусковой момент, близкий к номинальному, достаточно иметь пусковую емкость, определяемую соотношением Сп = (2, 5 - 3) Ср.
Отключаемые (пусковые) конденсаторы работают несколько секунд при включении, поэтому используют более дешевые электролитические конденсаторы типа ЭП.
Напряжение конденсатора для приведенных схем
Uк = Uc,
где Uк — напряжение на конденсаторе при номинальной нагрузке, В; Uc — напряжение сети, В.
При работе двигателя с недогрузкой Uк= 1, 15 Uc.
Номинальное напряжение конденсаторов типов КБГ-МН и БГТ дается для работы на постоянном токе. При работе их на переменном токе величина допустимого напряжения не должна превышать значений, указанных в таблице 3.
При ремонте и после каждого отключения конденсатор разряжают с помощью какого-либо сопротивления. Разрядным сопротивлением могут служить несколько ламп накаливания, соединенных последовательно.
Для включения и защиты от перегрузок конденсаторного двигателя используют магнитные пускатели с тепловыми реле.
Таблица 3. Величины допустимых напряжений
|
Номинальное напряжение постоянного тока, В |
Допустимое напряжение переменного тока В, при частоте 50 Гц и емкости конденсатора, мкФ |
|
|
До 2 |
4-10 |
|
|
400 |
250 |
200 |
|
600 |
300 |
250 |
|
1000 |
400 |
350 |
|
1500 |
500 |
- |
Наилучшие эксплуатационные показатели дают трехфазные двигатели, включенные в однофазную сеть, где в качестве пускового сопротивления используют емкость. Величина номинальной мощности достигает 65 — 85 % от мощности, указанной на щитке трехфазного электродвигателя. Однако конденсаторы с нужными параметрами не всегда бывают в хозяйствах. В этом случае можно воспользоваться способом включения трехфазного двигателя с помощью активных сопротивлений.
Перед пуском двигателя включают пусковое сопротивление. Затем двигатель подключают к однофазной сети. Когда двигатель достигнет частоты вращения, близкой к номинальной, пусковое сопротивление отключают. Двигатель продолжает работать, развивая мощность, равную 0, 5 — 0, 6 номинальной (в трехфазном режиме). Для изменения направления вращения ротора (реверсирования) меняют местами выводы пусковой ветви обмотки (С6 подсоединяют к С1 и рубильник В — к С2 или С6 — к сопротивлению Rп, а С5 — к С2). Перед реверсированием двигатель отключают от сети.
Если трехфазный электродвигатель включен в однофазную сеть по схеме, показанной на рис. 6, б, то пусковой момент будет почти вдвое меньше, чем при включении по схеме, показанной на рис. 6, а.
Для реверсирования электродвигателя, включенного по схеме на рис. 6,б, необходимо поменять местами выводы С2 и С5 пусковой обмотки.
Значение пусковых активных сопротивлений выбирают по таблице 4 в зависимости от мощности электродвигателя в трехфазном режиме.
Таблица 4. Величины пусковых сопротивлений
|
Мощность двигателя, кВт |
Пусковое сопротивление, Ом, по схеме (рис. 6, а) |
Мощность двигателя, кВт |
Пусковое сопротивление, Ом, по схеме (рис. 6, 6) |
|
0, 6 |
25-30 |
0, 6; 1, 0 |
8-15 |
|
1, 0 |
20-25 |
1, 7; 2, 8 |
3-4 |
|
1, 7 |
10-15 |
4, 5 |
1, 5-3 |
|
2, 8 |
5-10 |
7; 10 |
1-2 |
|
4, 5; 7, 0 |
3-5 |
. |
- |
Пусковые активные сопротивления можно легко изготовить в производственных условиях. В качестве проводников используют фехраль (табл. 5), нихром, константан и другие материалы, а в качестве изолятора — цилиндр из керамиковых материалов или асбоцемента.
При изготовлении пусковых активных сопротивлений следует иметь в виду, что во время пуска по сопротивлению будет кратковременно протекать ток, который в пять раз может превышать
Таблица 5. Величины пусковых сопротивлений из фехраля
|
Номинальная мощность двигателя в трехфазном режиме, кВт |
Пусковое сопротивление, Ом |
Размеры проводника |
|
|
диаметр, мм |
длина, м |
||
|
0, 6 |
30 |
1, 3 |
28 |
|
1, 0 |
20 |
1, 5 |
28 |
|
1, 7 |
10 |
1, 7 |
19 |
|
2, 8 |
7 |
2, 0 |
18 |
|
4, 5 |
5 |
2, 5 |
24 |
номинальный ток в трехфазном режиме. Учитывая, что пусковое сопротивление обтекается током при пуске лишь в течение нескольких секунд, для указанных материалов допустимая плотность тока при пуске равна 10 А/мм^2 — для проволок диаметром 0, 1 — 0, 5 мм; 8 А/мм^2 — для проволок, диаметр которых более 1, 5 мм.
Рис. 6. Схемы включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть:
8. Что представляют собой электродвигатели серии 4А,АИРP?
Что представляют собой электродвигатели серии 4А,АИРP?
С 1972 г. началось производство асинхронных коротко замкнутых электродвигателей серии 4А общепромышленного назначения. Мощность их от 0, 12 до 400 кВт при высоте оси вращения от 50 до 355 мм. Эти электродвигатели по сравнению с двигателями серии А2 и А02 имеют следующие преимущества: меньшую массу (в среднем на 18%), большую компактность, большие пусковые моменты, повышенную надежность, меньший уровень шума и вибраций.
По степени защиты от воздействия окружающей среды двигатели выпускаются в двух вариантах:
1) закрытые обдуваемые (обозначение IP44). Воздух для охлаждения корпуса двигателя подается вентилятором. Электродвигатели с высотой оси вращения 280 — 355 мм имеют дополнительную вентиляцию;
2) защищенные от капель, падающих под углом 60° к вертикали (обозначение IP23). Вовнутрь электродвигателя не могут попасть посторонние тела диаметром 12, 5 мм и более. Станина и щиты электродвигателей с высотами оси вращения 50 — 63 мм сделаны из алюминия; с высотами 71 — 100— станина из алюминия, а щиты из чугуна; с высотами 112 — 355 мм станина и щиты изготовлены из чугуна. Коробка выводов для двигателей с высотами оси вращения 56 — 250 мм располагается сверху станины, с высотами 280 — 355 мм — сбоку станины. Валы и подшипники рассчитаны на применение клиноременной и зубчатой передач.
Технические данные электродвигателей серии 4А общепромышленного назначения приведены в таблице 6.
Начат также серийный выпуск двигателей серии 4А сельскохозяйственного назначения мощностью от 7,5 до 30 кВт. Они имеют ту же шкалу мощности, что и электродвигатели общего применения. Синхронная частота вращения этих двигателей 3000, 1500 и 1000 об/мин.
Электродвигатели сельскохозяйственного назначения имеют повышенный пусковой момент, что
Таблица 6. Основные технические данные электродвигателей серии 4А общепромышленного назначения
|
Тип электродвигателя |
Номинальная мощность, кВт |
КПД, % |
Коэффициент мощности |
Кратность пускового тока |
Кратность пускового мо-мента |
Перегрузочная способность |
Кратность минимального момента |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
б |
7 |
8 |
|
Закрытые обдуваемые Синхронная частота вращения 3000 об/мин |
|||||||
|
4М50А2УЗ |
0,09 |
60,0 |
0,70 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА50В2УЗ |
0,12 |
63,0 |
0,70 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА56А2УЗ |
0,18 |
66,0 |
0,76 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА56В2У5 |
0,25 |
68,0 |
0,77 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА63А2УЗ |
0,37 |
70,0 |
0,86 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА63В2УЗ |
0,55 |
73,0 |
0,86 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А71А2УЗ |
0,75 |
77,0 |
0,87 |
5,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А71В2УЗ |
1,1 |
77,5 |
0,87 |
5,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А80А2УЗ |
1,5 |
81,0 |
0,85 |
6,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А80В2УЗ |
2,2 |
83,0 |
0,87 |
6,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4A90L2У3 |
3,0 |
84,5 |
0,88 |
6,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4A100S2У3 |
4,0 |
86,5 |
0,89 |
7,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4A100L2У3 |
5,5 |
87,5 |
0,91 |
7,5 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А112М2УЗ |
7,5 |
87,5 |
0,88 |
7,5 |
2,0 |
2,2 |
1,0 |
|
Синхронная частота вращения 1500 об/мин |
|||||||
|
4АА50А4УЗ |
0,06 |
50,0 |
0,60 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1.2 |
|
4АА50В4УЗ |
0,09 |
55,0 |
0,60 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА56А4УЗ |
0,12 |
63,0 |
0,66 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
4АА56В4УЗ |
0,18 |
64,0 |
0,64 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА63А4УЗ |
0,25 |
68,0 |
0,65 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА63В4УЗ |
0,37 |
68,0 |
0,69 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А71А4УЗ |
0,55 |
70,5 |
0,70 |
4,5 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А71В4УЗ |
0,75 |
72,0 |
0,73 |
4,5 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А80А4УЗ |
',1 |
75,0 |
0,81 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А80В4УЗ |
1,5 |
77,0 |
0,83 |
5,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А90L4УЗ |
2,2 |
80,0 |
0,83 |
6,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4A100S4V3 |
3,0 |
82,0 |
0,83 |
6,5 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4A100L4V3 |
4,0 |
84,0 |
0,84 |
6,5 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А112М4УЗ |
5,5 |
85,5 |
0,85 |
7,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4A132S4V3 |
7,5 |
87,5 |
0,86 |
7,5 |
2,0 |
2,2 |
1.6 |
|
Синхронная частота вращения 1000 об/мин |
|
||||||
|
4АА63А6УЗ |
0,18 |
56,0 |
0,62 |
4,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4АА63В6УЗ |
0,25 |
59,0 |
0,62 |
4,0 |
2,0 |
2,2 |
1,2 |
|
4А71А6УЗ |
0,37 |
64,5 |
0,69 |
4,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А71В6УЗ |
0,55 |
67,5 |
0,71 |
4,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А80А6УЗ |
0,75 |
69,0 |
0,74 |
4,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А80В6УЗ |
1,1 |
74,0 |
0,74 |
4,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А90L6УЗ |
1,5 |
75,0 |
0,74 |
5,5 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4B100L6У3 |
2,2 |
81,0 |
0,73 |
5,5 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А112МА6УЗ |
3,0 |
81,0 |
0,76 |
6,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А112МВ6УЗ |
4,0 |
82,0 |
0,81 |
6,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4A132S6У3 |
5,5 |
85,0 |
0,80 |
7,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
|
4А132М6УЗ |
7,5 |
85,5 |
0,81 |
7,0 |
2,0 |
2,2 |
1,6 |
обеспечивает их запуск и устойчивую работу при пониженном напряжении.
Коробки выводов двигателей двухштуцерные с клеммными колодцами. Электродвигатели серии 4А при высоте оси вращения 56-132 мм выполняют на номинальное напряжение 380 В с тремя выводами обмотки статора; при высоте оси вращения 160 и 180 мм - на напряжение 380/660 B* с шестью выводными концами.
9. Какие выпускаются машины постоянного тока?
Какие выпускаются машины постоянного тока?
Промышленность выпускает ряд серий машин постоянного тока. Основной является единая серия П, состоящая из трех групп машин: первая -мощностью от 0, 13 до 200 кВт; вторая - от 200 до 1400 кВт и третья - свыше 1400 кВт.
Первая группа охватывает 11 габаритов по наружному диаметру якоря. В каждом габарите имеется по две длины сердечника, т. е. серия имеет 22 типоразмера (табл. 7).
Основное исполнение машин серии П - брызгозащищенное. Выпускаются машины и с закрытым исполнением. Машины серии П бывают с одним или двумя свободными концами вала, каждый из которых может передавать номинальный вращающий момент. Машины серии П имеют несколько модификаций.
ПБ — машина закрытого исполнения с естественным охлаждением; ПВ, ПВА - возбудитель;
ПО - обдуваемая; ПР - радиаторная.
Все машины серии П изготовляются без компенсационной обмотки, двигатели имеют легкую последовательную стабилизирующую обмотку возбуждения. Номинальное напряжение двигателей 110 и 220 В, а по особому заказу могут быть изготовлены для сети напряжением 440 В.
По способу расположения вала эти машины могут быть горизонтальными и вертикальными.
При вертикальном варианте исполнения свободный конец вала направлен вниз.
Возбуждение у машин серии П шунтовое, независимое и компаундное. В последнее время разработана новая серия (2П) двигателей постоянно-
Таблица 7. Шкала мощностей машин серии П первой группы
|
Тип |
Частота вращения, об/мин |
Масса, кг |
Диамер якоря, мм |
Длина якоря, мм |
||||
|
600 |
750 |
1000 |
1500 |
3000 |
||||
|
МОЩНОСТЬ, кВт |
||||||||
|
П11 |
- |
- |
0,13 |
0,3 |
0,7 |
18 |
83 |
50 |
|
П12 |
- |
- |
0,2 |
0,45 |
1,0 |
23 |
75 |
|
|
П21 |
- |
0,2 |
0,3 |
0,7 |
1,5 |
35 |
106,0 |
55 |
|
П22 |
. |
0,3 |
0,45 |
1,0 |
2,2 |
41 |
80 |
|
|
П31 |
. |
0,45 |
0,7 |
1,5 |
3,2 |
53 |
120 |
75 |
|
П32 |
- |
0,7 |
1,0 |
2,2 |
4,5 |
62 |
110 |
|
|
П41 |
- |
1,0 |
1,5 |
3,2 |
6,0 |
72 |
138 |
85 |
|
П42 |
- |
1,5 |
2,2 |
4,5 |
8,0 |
88 |
115 |
|
|
П51 |
- |
2,2 |
3,2 |
6 |
11 |
105 |
162 |
100 |
|
П52 |
- |
3,2 |
4,5 |
8 |
14 |
127 |
140 |
|
|
П61 |
- |
4,5 |
6 |
11 |
19 |
163 |
195 |
105 |
|
П62 |
- |
6 |
8 |
14 |
25 |
195 |
140 |
|
|
П71 |
- |
8 |
11 |
19 |
32 |
250 |
210 |
125 |
|
П72 |
- |
11 |
14 |
25 |
42 |
290 |
165 |
|
|
П81 |
- |
14 |
19 |
32 |
- |
330 |
245 |
135 |
Примечание. Буквы и цифры, обозначающие тип машин, расшифровываются следующим образом: П — машина постоянного тока; первое после буквы однозначное или двузначное число - порядковый номер габарита; последняя цифра - порядковый номер длины сердечника.
го тока. У двигателей этой серии мощность при одном и том же значении высоты оси вращения увеличена в 3 — 5 раз; диапазон регулирования частоты вращения увеличен в среднем в 1, 6 раза; механическая инерционность якоря уменьшена на 40 — 60 %; обеспечена устойчивая коммутация;
удвоен срок службы машин.
Двигатели серии 2П изготавливаются с номинальными частотами вращения 500, 600, 750,1000, 1500, 2200 и 3000 об/мин и номинальными напряжениями 110, 220 В при мощности до 7,5 кВт и 220, 440 В при мощности более 7,5 кВт. Генераторы изготовляются с номинальными частотами вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин и номинальными напряжениями 115, 230 В при мощности до 7,5 кВт и 230, 460 В при мощности более 7,5 кВт.
Машины по ГОСТ 12080-66 изготовляются с одним концом вала. По заказу потребителя могут быть изготовлены без тахогенератора с двумя концами вала.
В зависимости от высоты оси вращения и способа охлаждения есть несколько разновидностей машин постоянного тока (табл.8).
Средний срок службы машин серии 2П — 12 лет, средний ресурс — 30 000 ч.
Таблица 8. Обозначение машин постоянного тока в зависимости от их исполнения
|
Высота оси вращения, мм |
Исполнение в зависимости от способа зашиты и охлаждения |
Обозначение исполнения |
Степень защиты |
|
От 90 до 315 |
Защищенное с самовентиляцией |
Н |
IP22 |
|
От 132 до 315 |
Защищенное с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора |
Ф |
IP22 |
|
От 132 до 200 |
Закрытое обдуваемое от постороннего вентилятора |
0 |
IP44 |
|
От 90 до 200 |
Закрытое с естественным охлаждением |
Б |
IP44 |
10. Как расшифровываются условные обозначения машин постоянного тока серии 2П?
Как расшифровываются условные обозначения машин постоянного тока серии 2П?
Первая цифра (2) указывает номер серии; буква (П) - вид машины, т. е. постоянного тока;
вторая буква — исполнение машины в зависимости от способа защиты и охлаждения (Н - защищенное с самовентиляцией, Ф - защищенное с независимой вентиляцией, О - закрытое, обдуваемое, Б - закрытое с естественным охлаждением); последующие две или три цифры (от 90 до 315) -высоту оси вращения в мм; буквы М и L — длину сердечника статора (М - первая длина, L -вторая длина); Г - наличие тахогенератора; У - климатическое исполнение; последняя цифра (4) — категорию размещения по ГОСТ 15150-69.
Например, двигатель 2ПН100МУ4 ГОСТ 20529-75 расшифровывается следующим образом: двигатель серии 2П, защищенного исполнения с самовентиляцией, с высотой оси вращения 100 мм, с первой длиной сердечника статора, климатического исполнения У, категории 4.
11. Kак осуществляется пуск двигателя постоянного тока?
Kак осуществляется пуск двигателя постоянного тока?
При включении двигателя возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 10 — 20 раз. Для ограничения пускового тока двигателей мощностью более 0,5 кВт последовательно с цепью якоря включают пусковой реостат (рис. 7).
Рис. 7. Схема включения электрических двигателей постоянного тока: а - с помощью пускового реостата; б - схема электродвигателя со смешанным возбуждением; в - схема универсального коллекторного электродвигателя. Л - зажим, соединенный с сетью; Я - зажим, соединенный с якорем; М -зажим, соединенный с цепью возбуждения; 0 - холостой контакт; 1 - дуга; 2 - рычаг; 3 - рабочий контакт.
Величину сопротивления пускового реостата можно определить по выражению
Rn =U/(1,8 - 2,5)Iном-Rя
где U — напряжение сети,В;
Iном — номинальный ток двигателя. А;
Rя — сопротивление обмотки якоря, Ом.
Перед включением двигателя необходимо убедиться в том, что рычаг 2 пускового реостата (рис.7) находится на холостом контакте 0. Затем включают рубильник и рычаг реостата переводят на первый промежуточный контакт. При этом двигатель возбуждается, а в цепи якоря появляется пусковой ток, величина которого ограничена всеми четырьмя секциями сопротивления Rn. По мере увеличения частоты вращения якоря пусковой ток уменьшается и рычаг реостата переводят на второй, третий контакт и т.д., пока он не окажется на рабочем контакте.
Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременный режим работы, а поэтому рычаг реостата нельзя длительно задерживать на промежуточных контактах: в этом случае сопротивления реостата перегреваются и могут перегореть.
. Прежде чем отключить двигатель от сети, необходимо рукоятку реостата перевести в крайнее левое положение. При этом двигатель отключается от сети, но цепь обмотки возбуждения остается замкнутой на сопротивление реостата. В противном случае могут появиться большие перенапряжения в обмотке возбуждения в момент размыкания цепи.
При пуске в ход двигателей постоянного тока регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения следует полностью вывести для увеличения потока возбуждения.
Для пуска двигателей с последовательным возбуждением применяют двухзажимные пусковые реостаты, отличающиеся от трехзажимных отсутствием медной дуги и наличием только двух зажимов — Л и Я.
Kак производится маркировка выводных концов машин постоянного тока?
В качестве примера рассмотрим маркировку выводных концов машины постоянного тока со смешанным возбуждением (рис. 7).
Для определения выводных концов отдельных обмоток (последовательной C1, C2; параллельной ЦП, Ш2 и якорной Я1, Я2 с дополнительными полюсами Д1, Д2) необходимо иметь контрольную лампу или вольтметр и источник переменного тока. Та из трех обмоток, при касании которой лампа горит тускло, будет параллельной (шунтовой) обмоткой. Лампа не будет гореть при касании ее одним концом к коллектору машины, а другим — к выводам последовательной обмотки и будет гореть при касании к выводам обмотки дополнительных полюсов, соединенной с якорем.
Рис. 7. Схема включения электрических двигателей постоянного тока:
12. Как определить допустимую степень искрения на коллекторе в электродвигателе постоянного тока?
Как определить допустимую степень искрения на коллекторе в электродвигателе постоянного тока?
Повышенное искрение может происходить из-за неправильной установки щеток (не по заводским меткам), плохого прилегания щеток к коллектору, загрязнения или частичного выгорания коллектора, повышенной вибрации щеточного устройства и др.
Полностью устранить искрение практически не удается, поэтому необходимо уметь правильно определить допустимую степень искрения.
В соответствии с нормами искрение на коллекторе оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и по шкале (классам коммутации), приведенной в таблице 9.
Допустимую степень искрения можно определить и по цвету образующихся искр. Небольшое искрение голубовато-белого цвета, почти всегда имеющееся на сбегающем крае щетки, не представляет собой никакой опасности. Удлиненные искры желтоватого оттенка свидетельствуют о неправильной коммутации. Зеленая окраска искр и присутствие частичек меди на рабочей части щеток указывают на механические повреждения коллектора.
Таблица 9. Степень и характеристика искрения
|
Степень искрения (класс коммутации) |
Характеристика степени искрения |
Состояние коллектора и щеток |
|
1 |
Отсутствие искрения (темная коммутация) |
Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках |
|
1.25 |
Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки |
|
|
1.5 |
Слабое искрение под большей частью щетки |
Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках |
|
2 |
Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки |
Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности бензином, а также следов нагара на щетках |
|
3 |
Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейших работ |
Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток |
Kак определить положение геометрической нейтрали машины постоянного тока?
Для правильной установки щеток машин постоянного тока необходимо определить положение геометрической нейтрали.
Определение геометрической нейтрали может быть произведено методом наибольшего напряжения, индуктивным методом и методом двигателя.
При определении нейтрали методом наибольшего напряжения генератор с независимым возбуждением вращают вхолостую с постоянной частотой вращения и током возбуждения. Щетки передвигают по коллектору до тех пор, пока вольтметр, присоединенный к зажимам якоря, не даст максимального отклонения. Такое положение щеток соответствует геометрической нейтрали.
При индуктивном методе машина остается неподвижной и возбуждение подается от постороннего источника постоянного тока. К зажимам якоря подключают чувствительный вольтметр. Щетки передвигают до тех пор, пока внезапное замыкание или размыкание цепи возбуждения не перестает вызывать отклонения стрелки вольтметра. Это положение щеток будет соответствовать положению геометрической нейтрали.
При размыкании обмотки возбуждения в ней могут возникнуть большие перенапряжения. Поэтому ток в обмотке возбуждения необходимо устанавливать небольшим или зашунтировать обмотку возбуждения сопротивлением.
При определении нейтрали методом двигателя находят такое положение щеток, при котором частота вращения двигателя в обе стороны будет одинаковой. Опыт проводят под нагрузкой, при которой ток якоря равен половине номинального. Изменение направления вращения производят изменением полярности зажимов обмотки якоря.
Какие бывают электрические нагреватели?
Косвенный электронагрев сопротивлением применяют для нагрева и термообработки проводящих, непроводящих, твердых, жидких материалов в области температур до 1500°С. Основным элементом электротермической установки сопротивления служит электрический нагреватель — тепловыделяющий источник, преобразующий электрическую энергию в тепловую. Нагреватель представляет собой высокоомное сопротивление — нагревательный элемент, оборудованный вспомогательными устройствами для подвода тока, электроизоляции, защиты от механических повреждений, крепления. Нагревательные элементы выполняют из металлических и неметаллических материалов в виде проволочных спиралей, ленточных зигзагов, стержней, трубок, пленок на изолирующих подложках.
Электронагреватели сопротивления классифицируются по исполнению (открытые, закрытые, герметические); материалу нагревательных элементов (металлические, полупроводниковые, неметаллические); конструктивному исполнению (проволочные, ленточные, стержневые, пленочные);
рабочей температуре (низкотемпературные, средне температурные, высокотемпературные) и другим признакам.
Открытые нагреватели (рис. 8, а, б) просты по устройству, имеют хорошие условия для теплопередачи, ремонтоспособны. Их недостаток — повышенная электрическая опасность, низкий срок службы. Они применяются главным образом в высокотемпературных установках с теплоотдачей преимущественно излучением (термоизлучатели, электрические печи).
Закрытые нагреватели (рис. 8, в) размещают в корпусе, предохраняющем их от механических воздействий и нагреваемой среды. Герметические нагреватели защищены от внешних воздействий, в том числе от доступа воздуха.
Рис. 8. Электрические нагреватели:
а — спираль; б — лента; в — нагреватель в корпусе; 1 — металлический кожух; 2 — нагревательный провод; 3 — изолятор; d — диаметр провода; h — шаг спирали; D — диаметр спирали; а — толщина ленты, b — ширина ленты
Kак устроены трубчатые электрические нагреватели? Kак их выбрать?
Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) по исполнению являются герметическими. Это наиболее распространенные электротермические устройства установок низко- и среднетемпературного нагрева.
Рис. 9. Трубчатый электронагреватель (ТЭН): 1 — оболочка (трубка); 2 — спираль; 3 — контактный стержень; 4 — изолятор (периклаз или кварцевый песок); 5 — мастика; 6 — фарфоровая втулка; 7 — контактная гайка. L — общая длина ТЭНа; Lакт — активная (рабочая) длина t; tк — длина контактного стержня; h — шаг спирали; d — диаметр провода; dcn — диаметр спирали; dcn.наp — диаметр спирали наружный;
dmp. вн — диаметр трубки внутренний; dmp.нар— диаметр трубки наружный
Устройство типового ТЭНа показано на рис.9,а. Он состоит из тонкостенной (0,8—1,2 мм) металлической трубки (оболочки) 7, в которой размещена спираль 2 из проволоки высокого удельного электрического сопротивления. Концы спирали соединены с контактным стержнем 3, наружные выводы 7 которого служат для подключения нагревателя к питающей сети. Материалом трубки может быть углеродистая сталь марок 10 или 20, если температура поверхности ТЭНа в рабочем режиме не превышает 450°С, и нержавеющая сталь 12Х18Н10Т при более высоких температурах или при работе в агрессивных средах (табл.10). Спираль изолируют от трубки наполнителем 4, имеющим высокие электроизолирующие свойства и хорошо проводящим теплоту. В качестве наполнителя используют периклаз (кристаллическая окись магния). После заполнения наполнителя трубку опрессовывают. Под большим давлением периклаз превращается в монолит, надежно фиксирующий спираль по оси трубки. Спрессованный нагреватель может быть изогнут для придания необходимой формы. Контактные стержни 3 изолируют от трубки изолятором 6, торцы герметизируют влагозащищающим кремнийорганическим лаком (герметиком) 5.
Преимущество ТЭНов — универсальность, надежность и безопасность обслуживания. Их можно использовать при контакте с газообразными и жидкими средами при давлении до 9, 8 • 105 Па. Они не боятся ударов и вибраций, но не являются взрывобезопасными. Рабочая температура поверхности ТЭНов может достигать 800°С, что удовлетворяет большинству бытовых и сельскохозяйственных тепловых процессов и позволяет использовать их в качестве тепловыделяющих источников не только в установках кондуктивного и конвективного нагрева, но и в качестве излучателей в установках лучистого (инфракрасного) нагрева. Вследствие герметизации спиралей срок службы ТЭНов достигает 10 тыс. ч. ТЭНы изготовляют по ГОСТ 13268. Единичная мощность их (15—12)*103 Вт, а в блоке (из двух или трех нагревателей) достигает 24-103 Вт, развернутая длина 185—5280 мм, наружный диаметр трубки 6, 5—8, 0—10—12, 5—16 мм, номинальное напряжение 12, 36, 48, 55, 127, 220 и 380 В, климатическое исполнение УХЛ4 или УХЛЗ по ГОСТ 15150.
Структура условного обозначения ТЭНа: ТЭН -1 23/4567, где 1 — развернутая длина ТЭНа по оболочке L, см (рис. 9); 2 — длина контактного стержня в заделке (изменяется от 40 до 630 мм); 3-номинальный диаметр трубки, мм; 4 — номинальная мощность, кВт; 5 — обозначение нагреваемой среды и материала трубки (табл. 10); 6 — номинальное напряжение. В; 7 — вид климатического исполнения по ГОСТ 15150. Пример: трубчатый электронагреватель ТЭН-120Г13/1Т220УХЛ4 имеет развернутую длину 120 см, длина контактного стержня в заделке (индекс Г) равна 125 мм, диаметр трубки 13 мм, номинальная мощность 1 кВт, предназначен для нагрева воздушной среды со скоростью движения до 1,5 м/с; трубка из стали 12Х18Н10Т, температура поверхности трубки от 450 до 650°С (индекс Т); номинальное напряжение 220 В; вид климатического исполнения УХЛ4 по ГОСТ 15150.
•ТЭНы выпускают разнообразной конструкции, что позволяет встраивать их в самые разные установки, начиная от промышленных печей и до бытовых электронагревательных приборов. Помимо обычного исполнения выпускают одноконцевые ТЭНы патронного типа диаметром от 6,5 до 20 мм, отличающиеся высокой удельной поверхностной мощностью (до 38 • 10^4 Вт/м^2), а также плоские ТЭНы (сечением 5х11 и 6х17 мм) с развитой теплоотдающей поверхностью. К недостаткам ТЭНов следует отнести высокую металлоемкость и стоимость из-за использования дорогостоящих материалов (нихром, нержавеющая сталь), невысокий срок службы, невозможность ремонта при перегорании спирали.
Таблица 10. Нагреваемые среды, характер нагрева, предельная (удельная) поверхностная мощность, материал оболочки ТЭНа и ее температура
Рис. 8. Электрические нагреватели
Рис. 9. Трубчатый электронагреватель (ТЭН):
Таблица 10. Нагреваемые среды, характер нагрева, предельная (удельная) поверхностная мощность, материал оболочки ТЭНа и ее темпе
Таблица 10. Нагреваемые среды, характер нагрева, предельная (удельная) поверхностная мощность, материал оболочки ТЭНа и ее темпе
13. Kакие применяют нагревательные провода и кабели?
Kакие применяют нагревательные провода и кабели?
Нагревательные провода, кабели, ленты относят к протяженным нагревательным устройствам. Их применяют в рассредоточенных тепловых процессах, непосредственно связанных с содержанием животных, птицы, выращиванием растений в защищенном грунте, хранением сельскохозяйственной продукции. Такие процессы относят к низкотемпературным (5-40°С), с низкой плотностью тепловых нагрузок (100-1000 Вт/м^2), выполняемым на значительных площадях в соответствии с пространственной сосредоточенностью предметов труда. Примерами подобных процессов и установок служат обогрев почвы в сооружениях защищенного грунта, электрообогреваемые полы в животноводческих и других помещениях, обогрев трубопроводов (воды, жидких кормов), воздуховодов, технологических емкостей (в процессах кормоприготовления, биотехнологии) и др. Применение для этих целей ТЭНов, отличающихся концентрированным тепловыделением и высокой металлоемкостью, или промежуточных теплоносителей (пара, горячей воды, воздуха) не всегда целесообразно по техническим, экономическим и иным причинам.
Протяженные нагреватели имеют токопроводящие жилы из материалов повышенного или высокого сопротивления и теплостойкую изоляцию. Нагревательные провода марок ПОСХВТ и ПНВСВ имеют по одной токоведущей жиле из стальной оцинкованной проволоки. Изоляция провода ПОСХВТ выполнена из поливинилхлоридного пластиката. Провод ПНВСВ имеет многослойную
изоляцию (рис. 10) и защищен от механических повреждений. Основными техническими характеристиками протяженных нагревателей служат: допустимая температура tж нагрева жилы,°С, линейное сопротивление r1, жилы, Ом/м, и допустимая линейная мощность Р1, Вт/м. Для названных проводов эти данные приведены в таблице 11.
Рис. 10. Конструкция нагревательного провода ПНВСВ (а) и нагревательных кабелей (б, в): 1 - наружная оболочка из поливинилхлоридного пластика толщиной 1 мм; 2 — экран из стальных оцинкованных проволок диаметром 0, 3 мм; 3 — оболочка из фторопластовой пленки; 4 — оболочка из поливинилхлоридного пластика; 5 — токоведущая жила
Таблица 11. Технические данные нагревательных проводов а кабелей
|
Параметр |
посхвт |
ПНВСВ |
ПСО |
Кабели, |
|
КМНС, |
||||
|
КМЖ |
||||
|
Диаметр жилы, мм |
1,4 |
1,2 |
4-7 |
3х1 |
|
Допустимая температура |
105 |
120 |
300 |
250 |
|
нагрева жилы, °С |
||||
|
Линейное сопротивление |
0,12 |
0,16 |
0,007-0,016 |
0,11 |
|
жилы при допустимой |
||||
|
температуре нагрева, |
||||
|
Ом/м |
||||
|
Допустимая линейная |
11 |
20 |
20-40 |
До 109 |
|
мощность, Вт/м |
||||
|
Рабочее напряжение, В |
220 |
220 |
60 |
220 |
Иногда, если габаритные размеры нагревательных устройств не являются ограничивающим фактором и они питаются пониженным напряжением, нагревательные элементы изготовляют из дешевого стального оцинкованного провода типа ПСО. Примерами таких устройств служат устройства энергообогрева полов в животноводческих помещениях, почвы в парниках и теплицах.
Нагревательные кабели типа КМЖ, КМНС, КНРПВ, КНРПЭВ имеют 1 - 4 нагревательные жилы из стальной оцинкованной проволоки или сплавов сопротивления, изоляцию из поливинил -хлоридного пластиката, фторопласта, кремний органической резины. Снаружи кабелей предусмотрена металлическая оболочка из свинца, меди, алюминия или мягкой нержавеющей стали, предохраняющая от воздействия агрессивных сред и механических повреждений.
Гибкие ленточные электронагреватели марок ЭНГЛ-80, ЭНГЛ-180 (рис. 11) допускают температуру соответственно 85 и 180°С, имеют по восемь нагревательных жил, расположенных в одной плоскости в изолирующей стекло волокнистой ленте. Лента с жилами заключена в пластиковую оболочку. Жилы могут соединяться параллельно, последовательно и т. д. Линейная мощность 40-100 Вт/м, линейное сопротивление 0, 5—1 Ом/м. Там, где требуется высокая интенсивность нагрева, используют теплостойкие ленточные нагреватели типа НТЛ, допускающие температуру 400-600 °С и линейную нагрузку 150-360 Вт/м, напряжение до 380 В.
Рис. 11. Нагреватель ЭНГЛ-180: а - общий вид; б - сечение; 1 — вывод; 2 — концевая заделка; 3 — токоведущий провод; 4 — герметизирующее покрытие; 5 — скобка; 6 — жилы
Рис. 10. Конструкция нагревательного провода ПНВСВ (а) и нагревательных кабелей (б,в)
Рис. 11. Нагреватель ЭНГЛ-180
14. Как устроить электрообогреваемый пол?
Как устроить электрообогреваемый пол?
Электрообогреваемые полы состоят из нагревательных проводов, уложенных зигзагообразно с требуемым шагом в слое бетона (рис. 12, а). Экранирующую сетку присоединяют к контуру выравнивания потенциала не менее чем в двух местах.
Рис. 12. Электрообогреваемый пол:
а — схематический разрез; б, в — способы укладки нагревательного провода; 1 — утрамбованный грунт; 2 ~щебень; 3, 6 — бетон, 4, 5 — гидро- и теплоизоляция, 7 — нагревательный провод; 8 — экранирующая сетка
Выходные концы нагревательного элемента протягивают в трубы и подключают к распределительным коробкам. Напряжение питания изолированных нагревательных элементов 220 В; к неизолированным проводам подводят пониженное напряжение через трансформатор.
При применении нагревательного провода ПНВСВ упрощается конструктивная схема бетонного пола, так как не нужна экранирующая сетка. Начиная рассчитывать нагревательные элементы, определяют конфигурацию и площадь обогреваемого участка пола. Если температура поверхности пола должна быть равномерной, провода укладывают с постоянным шагом (рис. 12, б). При необходимости дифференцировать температуру (например, в свиноматочнике) в зависимости от возраста животных принимают переменный шаг укладки (рис. 12, в): больший на площадке для свиноматки, меньший в месте размещения поросят. Рекомендуемые параметры для расчета электрообогреваемых полов приведены в таблице 12.
Таблица 12. Рекомендуемые параметры для расчета электрообогреваемых полов
|
Вид животных |
Рекомендуемая температура пола,°С |
Поверхностный тепловой поток, Вт/м^2 |
Удельная обогреваемая площадь пола, м^2 /гол. |
Рекомендуемый шаг укладки нагревательного провода,м |
|
Цыплята |
35-40 |
150-300 |
0,015-0,08 |
0,05-0,1 |
|
Поросята |
25-30 |
100-200 |
1-1,5* |
0,1-0,15 |
|
Свиньи на откорме |
18-20 |
80-150 |
2, 25 |
0,15-0,2 |
|
Телята |
20-24 |
100-150 |
1. 5 |
0,1-0,15 |
|
Коровы, больные маститом или артритом) |
26-29 |
150-200 |
0,15-0,2 |
* На приплод
Рис. 12. Электрообогреваемый пол.
15. Kак устроить электрообогреваемый парник или теплицу?
Kак устроить электрообогреваемый парник или теплицу?
Устройства элементного обогрева почвы и воздуха различают по конструктивному выполнению нагревательных элементов, их размещению, значению питающего напряжения и пр. Нагревательными элементами служат нагревательные провода и кабели, а также стальной неизолированный провод.
При почвенном обогреве нагревательные элементы располагают следующими способами: в асбоцементных или гончарных трубах диаметром 50— 150 мм, уложенных в песке под питательным слоем почвы (рис. 13, а); непосредственно в слое песка под почвой; в асфальтобетонных монолите или блоках под почвой.
Для обогрева воздуха нагревательные элементы подвешивают на строительных конструкциях сооружений защищенного грунта (непосредственно или в асбоцементных трубах диаметром 50—75 мм (рис. 13, а). К нагревательным элементам подводят напряжение 380/220 В или пониженное 24—17 В.
Нагревательные элементы, проложенные в трубах, защищены от влаги и механических повреждений, их легко ремонтировать и безопасно обслуживать; кроме того, при таком расположении выравнивается температура почвы. Основной недостаток — большой расход труб.
Обогреватели, выполненные в виде асфальтобетонного монолита или асфальтобетонньк либо асфальтокерамзитобетонных плит, имеют большую аккумуляционную способность, равномерно нагревают почву, электробезопасны. Устройство
Рис. 13. Устройство электрообогреваемого парника:
а - ТЭНами; б -с помощью асфальтобетонного монолита; 1 - патрубки; 2 - рама; 3, 4 - элементы воздушного и почвенного обогрева; 5 - почва; 6 - песок; 7 - шлак; 8 - коробка выводов; 9 - асфальтобетонный монолит; 10 - нагревательный элемент; 11 - защитная сетка-экран; 12 - гравий; 13 - грунт
парника со сплошным асфальтобетонным покрытием нагревательного элемента показано на рисунке 13, 6. На грунт насыпают слой шлака, затем песка, на который укладывают асфальтобетон (88% песка, 12% битума). Нагревательный провод или стальную неизолированную проволоку укладывают зигзагообразно и заливают асфальтобетоном, что обеспечивает хорошую электрическую изоляцию. Для питания нагревателя используют напряжение 380/220 В или пониженное.
Рис. 13. Устройство электрообогреваемого парника
16. Какие электрические приборы применяют для приготовления пищи?
Какие электрические приборы применяют для приготовления пищи?
При использовании электронагревательных приборов для приготовления пищи значительно улучшаются санитарно-гигиенические условия в помещении. Такие устройства менее взрыво- и пожароопасны, чем плиты на твердом, газообразном и жидком топливе. Установленная мощность в квартире увеличивается в 1, 5—2 раза, расчетная мощность ввода составляет 5—5, 5 кВт, потребление электроэнергии доходит в среднем до 1500 кВт-ч на семью в год.
К электронагревательным устройствам для приготовления пищи относят микроволновые печи СВЧ-нагрева, напольные и настольные электроплиты, жарочные шкафы и специализированные приборы.
Микроволновые печи предназначены для приготовления, разогревания, размораживания, термостатирования продуктов. Магнетрон генерирует электромагнитное излучение с частотой 2300—2500 МГц, которое передается по волноводу в рабочую камеру печи и там поглощается нагреваемым продуктом. При прямом объемном нагреве токами СВЧ сокращается продолжительность приготовления блюд, повышается их качество и сохранность, снижается угар жиров.
Выпускают печи нескольких типов, в том числе «Электроника-СП23» и «Электроника-ЗС». Потребляемая мощность 1320 Вт. Мощность СВЧ-колебаний 550 кВт.
Рис. 14. Микроволновая печь «Электроника-3С»: 1 - волновод; 2 - магнетрон; 3 - вентилятор; 4 - трансформатор; 5 - панель с электроаппаратурой; 6 - блок управления; 7 - тарелка; 8 - дверь; 9 - камера
Kак устроены электрические плиты?
Напольные и настольные электроплиты различают по типу, числу конфорок и номинальной мощности.
Наиболее распространены штампованные конфорки (КПД 0, 5-0, 6; срок службы 3 тыс. ч), представляющие собой корпус из листовой стали, заполненный электроизоляционным материалом, в который впрессованы две нагревательные спирали мощностью 400 Вт каждая.
Чугунные конфорки (КПД 0, 65—0, 7; срок службы 4 тыс. ч) — это отливки, имеющие пазы с электроизоляционной массой, в которую впрессованы две или три спирали из нихрома Х20Н80. Общая мощность 1000 или 1200 Вт.
Трубчатые конфорки (КПД 0, 72—0, 74; срок службы 5 тыс. ч) выполняют из согнутых трубчатых нагревателей (в виде одного или нескольких витков спирали Архимеда). Работают при температуре нержавеющей оболочки ТЭНа 650—750 С. Большинство конфорок содержит два двухконцевых ТЭНа мощностью 480 и 550 Вт.
Мощность электроплит регулируют четырех-пяти- или семипозиционными переключателями.
Несущей конструкцией электроплиты является рама (рис. 15), состоящая из передней и задней стенок, корпуса жарочного электрошкафа и основания, сваренных точечной сваркой. Боковые стенки крепятся к раме при помощи винтов. Панель управления крепится к раме с помощью самонарезных винтов. Цветной эмалью на панели управления нанесены цифровые обозначения положений семипозиционных переключателей, числа — указатели температуры жарочного электрошкафа,
Рис. 15. Электрическая плита: а — конструктивная схема; б — электрическая схема: 1 — сигнальные лампы; 2 — ручки переключателей мощности; 3, 5, 9, 10 — электроконфорки; 4 —рабочий стол; б— розетка; 7 — переключатель клавишный; 8 — дверка жарочного шкафа; 11 — вспомогательный шкаф; 12 — основание рамы; Э1, Э2, ЭЗ, Э4 — электроконфорки; П1—П5 — переключатели; HL1—HL6 — сигнальные лампы; HL0 — осветительная лампа (подсветка); ТЭН1-ТЭНЗ -нагреватели духовки; Т° - датчик температуры
обозначение гриля, мнемознаки, обозначающие расположение электроконфорок на рабочем столе, обозначение вертела и лампы освещения жарочного электрошкафа. Рабочий стол, с установленными на нем четырьмя чугунными электроконфорками, смонтирован на раме при помощи шарниров, что позволяет приподнимать его для осмотра, монтажа, демонтажа электроконфорок и переключателей. В приподнятом положении рабочий стол удерживается штоком, закрепленным с правой стороны рамы. Углубление рабочего стола предназначено для сбора небольшого количества пролитой жидкости. Специальные отводы предупреждают попадание пролитой жидкости внутрь электроплиты. После окончания пользования электроплитой рабочий стол закрывается крышкой. В открытом положении крышка предохраняет стенку кухни от забрызгивания.
Электроконфорки излучающего типа выполнены из чугуна и имеют по три спирали, что позволяет регулировать мощность в больших пределах. Крепление электроконфорок производится с обратной стороны рабочего стола при помощи скоб. Регулирование мощности электроконфорок производится при помощи семипозиционных переключателей. Ручки переключателей расположены на панели управления. Расположение ручек переключателей показано на рис. 15. Семипозиционные переключатели мощности электроконфорок имеют круговое вращение. Трехпозиционный переключатель жарочного электрошкафа имеют три положения: «О» — отключено; включены нагревательные элементы жарочного электрошкафа; включен гриль. Ручка трехпозиционного переключателя жарочного электрошкафа не имеет кругового вращения. Трехпозиционный клавишный переключатель имеет три положения: нейтральное;
включен моторедуктор; включена лампа освещения жарочного электрошкафа.
Внутренняя поверхность жарочного электрошкафа покрыта черной эмалью. Четыре направляющих паза внутри жарочного электрошкафа предназначены для установки на желаемом уровне противней или решетки. С наружной стороны жарочный электрошкаф имеет тепловую изоляцию. Дверка жарочного электрошкафа застеклена термостойким стеклом, что позволяет визуально контролировать готовность приготовляемой пищи. Крепление дверки жарочного электрошкафа к корпусу электроплиты выполнено с помощью специальных петель, которые позволяют фиксировать ее в трех положениях: закрыто, открыто, промежуточное.
В жарочном электрошкафу установлены три трубчатых электронагревателя. Два из них, верхний и высокотемпературный (гриль), установлены в верхней части жарочного электрошкафа, а нижний — под днищем. Крепление ТЭНа к задней стенке корпуса электроплиты производится с помощью специальных пластин. Включение нагревательных элементов жарочного электрошкафа или гриля производится ручкой трехпозиционного переключателя, расположенной с левой стороны панели управления, при этом ручка переключателя вращается по часовой стрелке до нужного значения температуры жарочного электрошкафа или до обозначения гриля. Одновременное включение нагревательных элементов жарочного электрошкафа и гриля невозможно. Выключение нагревательных элементов жарочного электрошкафа, а также гриля производится вращением ручки трехпозиционного переключателя против часовой стрелки до положения «О».
Моторедуктор смонтирован с наружной стороны задней стенки электроплиты и предназначен для вращения вертела с частотой 2 об/мин при приготовлении на нем пищи. Включение и выключение моторедуктора производится клавишным переключателем, расположенным с правой стороны панели. В процессе приготовления пищи вертел заостренным концом вставляется в воронку, жестко насаженную на вал моторедуктора и выведенную в жарочный электрошкаф. Второй конец вертела опирается на рамку.
Розетка расположена на панели управления и крепится к ней с обратной стороны при помощи пружинной пластины. Розетка предназначена для включения бытовых электроприборов мощностью до 1 кВт, при этом максимальный ток при всех включенных нагревателях составит 41 А.
Специализированные приборы с инфракрасными нагревателями — это электрошашлычницы, электрогрили, ростеры и тостеры. В качестве ИК-излучателя применяют высокотемпературные ТЭНы или кварцевые излучатели, представляющие собой трубку из кварцевого стекла диаметром 20 мм с толщиной стенки 1 мм. В трубку помещен керамический стержень диаметром 19 мм с укрепленной в пазах нагревательной спиралью из нихромовой проволоки. Температура поверхности такого излучателя 850°С.
Рис. 14. Микроволновая печь «Электроника-3С»
Рис. 15. Электрическая плита
17. Какие применяют электрические устройства для отопления и нагрева воды?
Какие применяют электрические устройства для отопления и нагрева воды?
Электроотопление имеет ряд преимуществ перед традиционными видами отопления: удобство эксплуатации, постоянная готовность приборов к работе, надежность, возможность индивидуального терморегулирования. Кроме того, не требуется заготавливать и хранить топливо, уменьшаются расходы на обслуживание. В то же время электроотопление — это самый энергоемкий и дорогой вид электрификации быта. Для обогрева 1 м^2 площади необходима установленная мощность 100— 200 Вт при годовом расходе энергии 5—15 тыс. кВт • ч. Расход электроэнергии для горячего водоснабжения на семью из трех-четырех человек составляет около 2 тыс. кВт • ч в год.
Наиболее распространены переносные электроотопительные приборы мощностью 0, 5—1, 25 кВт. По способу теплопередачи их классифицируют на приборы со свободной (электроконвекторы) и вынужденной (электротепловентиляторы) конвекцией, излучением (электрокамины и ИК-обогреватели), конвекцией и излучением (электрорадиаторы).
Электроконвекторы (рис. 16) предназначены для общего обогрева помещения. В качестве нагревателей используют: спирали из нихрома, закрепленные в несколько рядов на изоляторах; тканые элементы, состоящие из проволоки, вплетенной в нагревостойкую ткань; трубчатые плоские и ребренные нагреватели.
Электрокамины служат для местного обогрева; их делят на функциональные и декоративные.
Рис. 16. Электроконвектор:
1 - корпус; 2 - нагревательный элемент; 3 -ручка; 4 -выключатель; 5 — индикаторная лампа
В декоративные камины входят устройство, имитирующее горение дров, и нагревательный блок. Имитация пламени создается при вращении вертушек различной формы с прорезями, установленных в потоке света, излучаемого на полупрозрачный экран. Нагреватели — ТЭНы или спирали из нихрома, размещенные в трубках из кварцевого стекла.
Электрорадиаторы применяют для общего отопления помещения. Они бывают панельными и секционными. Теплота от трубчатого нагревательного элемента передается корпусу промежуточным теплоносителем — минеральным маслом. Температуру изменяют с помощью встроенного биметаллического регулятора. Предусмотрено автоматическое отключение нагревателя при температуре корпуса 130°С.
Бытовые электроводонагреватели делят на три основные группы: переносные приборы (электрические чайники, самовары; -кипятильники), проточные и аккумуляционные водонагреватели.
Аккумуляционные водонагреватели низкого давления типа ЭВАН (рис. 17) с трубчатым нагревательным элементом мощностью 1, 24 кВт устанавливают в ванной комнате. При вместимости устройства 10, 40 и 100 л вода нагревается до максимальной температуры в течение 1; 3, 2 и 7, 8 ч. Диапазон ее регулирования 35—85°С. Прибор присоединяют к водопроводной сети с помощью стандартного смесителя, что позволяет подавать воду наружной температуры через кран или душ.
Рис. 17. Электроводонагреватель ЭВАН - 100/1. 25: а —устройство; б — электрическая схема; 1 — бак; 2 — кожух с теплоизоляцией; 3 — трубка смесителя; 4 -терморегулятор; 5 — смеситель; 6 — патрубок для ввода холодной воды; 7 — сигнальная лампа; 8 — шнур электропитания; 9—лимб регулятора температуры; 10 — нагреватель
Быстродействующий водонагреватель ЭВБО-10/ 1, 00 мощностью 1 кВт и вместимостью 10л размещают на кухне. Время нагревания воды до температуры 85°С не более 60 мин; температуру воды изменяют терморегулятором.
Рис. 16. Электроконвектор
Рис. 17. Электроводонагреватель ЭВАН - 100/1.25
18. Какие применяют электрические санитарно-гигиенические приборы?
Какие применяют электрические санитарно-гигиенические приборы?
Электрические утюги выпускают следующих типов: УТ — с терморегулятором; УТП — с терморегулятором и пароувлажнителем; УТПР — с терморегулятором, пароувлажнителем и разбрызгивателем; УТУ — с терморегулятором, утяжеленный. Их различают по массе (0, 68—2, 5 кг) и мощности (0, 4 и 1 кВт). Температуру нагрева утюга устанавливают лимбом биметаллического терморегулятора.
Электроутюг состоит из подошвы 7 (рис. 18) из алюминиевого сплава с залитым в него трубчатым электронагревателем 2, кожуха 9 из жаростойкой пластмассы, защищенного от нагрева подошвы теплоизолирующей прокладкой 4, ручки 7 и крышки б, изготовленных из ударопрочной пластмассы, соединительного шнура 5 с подвижным вво-
Рис. 18. Электроутюг
дом и сигнальной лампы, информирующей о работе терморегулятора 3. Терморегулятор автоматически поддерживает заданную температуру подошвы.
Приборы мягкой теплоты — это электрические грелки, одеяла, бинты, пледы и др. Они одинаковы по конструкции и отличаются лишь внешним оформлением. На тканой основе располагают зигзагообразный гибкий нагревательный элемент, в цепи питания которого предусмотрен аварийный термовыключатель. Это устройство помещают сначала в изолирующий полиэтиленовый, а затем в декоративный чехол. Большая часть изделий оснащена переключателями для изменения температуры нагрева.
В качестве нагревательных элементов применяют нихромовую проволоку, навитую на асбестовую нить, вплетенную в тканевую основу или расположенную в кремний органической изоляции, а также углеграфитовое волокно, покрытое фторопластовой оболочкой. Рабочая температура нагревательного элемента не превышает 70°С;
Фены предназначены для сушки волос. Состоят из пластмассового корпуса, в котором находятся спираль, натянутая на каркас из фарфора или слюдопласта, вентилятор с электродвигателем, переключатель мощности и аварийный термовыключатель. В ручных фенах теплый воздух направляют непосредственно на волосы, в настольных подают по соединительному шлангу в пластиковый колпак.
Рис. 18. Электроутюг
19. Какой применяют электрический нагревательный инструмент?
Какой применяют электрический нагревательный инструмент?
Электропаяльники разделяют на бытовые (напряжение питания преимущественно 220 В) и промышленные (напряжение питания не выше 42 В), непрерывного и периодического нагрева.
Электропаяльник непрерывного нагрева имеет массивный паяльный стержень, аккумулирующий теплоту и отдающий ее в процессе пайки деталям. Нагревательная спираль намотана на металлическую трубку, изолированную слоем слюдопласта.
Электропаяльник периодического нагрева (рис. 19) благодаря малой массе паяльного стержня нагревается до рабочей температуры за несколько секунд. Паяльный стержень выполнен в виде петли из толстой проволоки, которую включают в разрыв короткозамкнутой обмотки трансформатора, размещенного в корпусе паяльника.
Рис. 19.
Электропаяльник:
1 — трансформатор;
2 - корпус; 3 - шина;
4 — паяльный стержень; 5 — сигнальная лампа; 6 — выключатель; 7 — соединительный шнур
По конструкции корпуса различают пистолетные, торцевые и молотковые электропаяльники. Молотковый предназначен для пайки массивных деталей, масса его стержня 1 кг.
По назначению и мощности паяльники подразделяют на радиомонтажные маломощные (10—26 кВт), электротехнические средней мощности (40— 65 кВт) и медницкие мощные (100 Вт и выше). Электроприборы для сваривания полиэтиленовой пленки бывают периодического и непрерывного действия.
Прибор «Молния-1» периодического действия состоит из понижающего трансформатора, к вторичной цепи которого подключена нагревающая нихромовая лента, и ручки-рычага с подушкой из губчатой резины. Оба элемента защищены фторопластовой пленкой. Между ними зажимают свариваемую пленку.
Прибор «Молния-2» непрерывного действия представляет собой ручку с размещенной на ней спиралью. На конце шарнирно закреплен полозок, нагревающийся от спирали и сваривающий пленку.
Рис. 19. Какой применяют электрический нагревательный инструмент?
20. Какие типов выпускают электрические холодильники?
Какие типов выпускают электрические холодильники?
Промышленность выпускает домашние холодильники двух типов: компрессионные и абсорбционные. Наиболее распространены компрессионные холодильники с автоматическим регулированием, расходующие почти в 3 раза меньше электроэнергии, чем абсорбционные. В зависимости от вместимости эти холодильники за год потребляют 250—450 кВт•ч, а абсорбционные 500— 1400 кВт • ч электроэнергии.
Холодильный агрегат компрессионного действия (рис.20,в) состоит из компрессора 32, испарителя 26, конденсатора 27 и регулировочного вентиля, которые соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую герметизированную систему, заполненную хладагентом. Компрессор агрегата приводится в действие электродвигателем и служит для отсасывания паров хладагента из испарителя, благодаря чему в испарителе поддерживается низкое давление. Кроме того, в компрессоре происходит сжатие этих паров до давления, при котором они в конденсаторе превращаются в жидкость после охлаждения. Испаритель и конденсатор являются теплообменными частями холодильного агрегата. Через их поверхности осуществляется теплообмен между охлажденным объектом и хладагентом, с одной стороны, и между хладагентом и окружающей средой — с другой. Испаритель и конденсатор соединены регулирующим вентилем с малым проходным сечением, благодаря чему при работе компрессора в ис-
Рис. 20. Электрический холодильник М-130: а — вид спереди; б — вид сзади; в — схема холодильника компрессионного действия. А — холодильная камера; В — морозильная камера; 1 — лампа освещения; 2 — приборы управления и сигнализации; 3 — полка;
4 - обрамление; 5 — емкость с крышкой; 6 — вкладыш для яиц; 7 — барьер -полка; 8 — панель внутренняя; 9 — барьер для фиксации бутылок; 10 — пиктограмма; 11 — полка; 12 — корзина; 13 — указатель; 14 — кронштейн петли нижней; 15 — кронштейн; 16 — шторка; 17 — опора с гайкой; 18 — болт; 19 — ролик; 20 — лопатка; 21 — форма для льда; 22 — аккумулятор холода; 23 — пруток; 24 — сосуд; 25 — полка-стекло; 26 — испаритель; В. — датчик-реле температуры; В — датчик-реле температуры; R1 нагреватель; С — конденсатор; Н1 —лампа
парителе всегда создается разрежение, а в конденсаторе — повышенное давление. Электрическая энергия, затрачиваемая на получение холода, расходуется электродвигателем для привода компрессора.
У абсорбционных холодильников диффузионного действия два рабочих вещества: абсорбент (вода) и хладагент (аммиак). Температуры кипения абсорбента и хладагента при атмосферном давлении разные (100 и-35°С). Хладагент хорошо растворяется в абсорбенте (при нормальном давлении и температуре 20°С в 100 г воды растворяется 72 г аммиака). При включении холодильника в сеть концентрированный раствор аммиака нагревается и испаряется, потребляя теплоту холодильной камеры.
Абсорбционные холодильники «Иней» (114 дм^3) и «Кристалл-9» (170 дм^3) бесшумны в работе, надежны в эксплуатации, сравнительно несложны в изготовлении и ремонте.
Рис. 20. Электрический холодильник М-130: а — вид спереди
Рис. 20. Электрический холодильник М-130: б — вид сзади; в — схема холодильника компрессионного действия
21. Kак устроена стиральная машина?
Kак устроена стиральная машина?
Промышленность выпускает стиральные машины следующих трех основных типов: СМР — с ручным отжимом; стирка и полоскание механизированы, отжим при помощи двух покрытых резиной валиков; СМП — полуавтоматические, с автоматическим устройством для регулирования времени стирки; стирка, полоскание, отжим, откачка и перекачка жидкости механизированы; СМА — автоматические, у которых стирка, полоскание, отжим, откачка и перекачка жидкости механизированы и автоматизированы.
Как устроены стиральные машины типа СМР? Общий вид и разрез стиральной типа СМР показаны на рисунке 21. На дне стирального бака 2 размещен дисковый активатор 21. На одном валу с активатором внутри корпуса 7 расположен центробежный насос, откачивающий жидкость из бака. Жидкость через сливное отверстие в дне бака, закрытое съемной решеткой 13, поступает по шлангу 10 в насос и через сливной шланг 9,. выведенный из корпуса машины, сливается при стирке снова в бак, обеспечивая тем самым циркуляцию стирающей жидкости. После окончания стирки жидкость по сливному шлангу выводится из машины.
Активатор и насос приводятся в движение асинхронным электродвигателем 19 посредством клиноременной передачи. Электродвигатель установлен на наклонной раме 18, продольные пазы которой позволяют перемещать двигатель и тем самым регулировать натяжение приводного ремня.
Отжимное устройство с двумя валиками 5 и 6, покрытыми резиной, монтируют в кронштейнах
Рис. 21. Стиральная машина типа СМР: а - общий вид; б -разрез; 1 — корпус; 2 — стиральный бак; 3 — отметка уровня заполнения бака; 4 — ручка для переноса машины; 5 и 6 — валики отжимного устройства; 7 —регулировочный винт; 8 — пружина; 9 и 10 — сливной и соединительный шланги; 11 — скоба для намотки электрошнура; 12 — рукоятка отжимного устройства; 13 — решетка; 14 — шнур; 15 — реле; 16 — ролик; 17 — скоба для удержания машины при отжиме; 18 — рама; 19 — электродвигатель; 20 — насос; 21 — активатор
корпуса машины и закрепляют стопорными винтами. Плоская пружина 8 прижимает верхний валик к нижнему. Усилие пружины изменяют регулировочным винтом 7. Валики вращают съемной рукояткой 12, которую вставляют в ось нижнего валика. Машину включают поворотом ручки реле времени 15.
Переносят машину, приподнимая ее за пластмассовые ручки 4. Скоба 17 служит опорой машины и одновременно помогает удерживать ее при отжиме белья. Машину можно перевозить на двух роликах 16. На поверхности бака выдавлено продолговатое углубление 3, указывающее допустимый уровень жидкости. Соединительный шнур 14 после прекращения работы машины наматывают на скобу 11.
К числу стиральных машин с ручным отжимом относятся «Волга-8Р» и «Таврия». Они рассчитаны на стирку 1, 5 кг сухого белья. Мощность, потребляемая ими, 350 Вт. У них два режима работы. Габариты машины «Волга-8Р» - 445х498х722 мм, а «Таврии» - 450х470х470 мм.
К типу стиральных полуавтоматических машин относятся стиральные машины «Рига-15» с вкладной центрифугой, «Сибирь-6», «Аурика-78», «Золушка-2П», «Сибирь-7Б», «Эврика-3». Их стиральный бак вмещает от 1, 5 до 3 кг сухого белья. Мощность, потребляемая машинами, 500— 600 Вт. У них два режима работы (кроме «Рига-15»). Габариты машин примерно одинаковы и равны 700х400х700 мм.
Стиральные машины «Эврика-автомат» (2 кВт), «Кишинев-2» (2, 4 кВт), «Вятка-автомат» (2, 2 кВт) имеют до 12 программ, благодаря которым автоматически заливается, сливается, нагревается вода, замачивается белье, вводится нужное количество моющих средств, полощутся и отжимаются вещи. Для подключения машины требуется разрешение электроснабжающих и коммунальных служб.
Рис. 21. Стиральная машина типа СМР
22. Какие электрифицированные машины используют в кормоприготовлении для подсобного хозяйства?
Какие электрифицированные машины используют в кормоприготовлении для подсобного хозяйства?
Универсальный измельчитель кормов КУ-4 с помощью набора сменных рабочих органов позволяет дробить зерно, перерабатывать солому и Корнеплоды, лущить початки кукурузы. Мощность электропривода установки 600 Вт. Производительность измельчителя на резке соломы 90 кг/ч, зерна 20 кг/ч.
Бытовой измельчитель кормов ИБК-1 имеет электродвигатель мощностью 600 Вт. Его производительность на резке соломы 90 кг/ч и зерна 20 кг/ч.
Зернодробилки ДЗТ-Т-1 и ДЗ-Т-1 снабжены электродвигателями мощностью по 600 Вт. Их производительность соответственно 75 и 40 кг/ч зерна.
Электродробилки пищевых отходов ЭД-Т-1 также приводит в действие электродвигатель мощностью 600 Вт. Производительность 50 кг/ч.
Электрокорнеплодорезка ЭКР-1 измельчает корнеплоды на ломтики. Мощность электропривода 280 Вт. Производительность машины 150—300 кг/ч.
Универсальная бытовая машина Э-270 предназначена для приготовления кормов и выполнения деревообрабатывающих работ. Используя ее, можно измельчать солому и сено, резать корнеплоды, дробить зерно, лущить початки кукурузы, распиливать, строгать и фрезеровать древесину. Базовая машина имеет электродвигатель мощностью 1, 1 кВт. Частота вращения вала электродвигателя 1450 об/мин.
Все перечисленные машины включают в однофазную сеть напряжением 220 В.
Какие электрифицированные аппараты применяют для дойки коров?
Для дойки коров используют индивидуальный доильный агрегат АИД-1, который входит в комплект оборудования ОК-1. Чтобы доильный агрегат работал, необходима вакуумная установка, состоящая из вакуум-насоса и электродвигателя мощностью 0, 6 кВт и напряжением 220 В.
Агрегат в работу можно включать только при надежном заземлении электрооборудования и установке аппарата защитного отключения.
Какие инкубаторы применяют в личных подсобных хозяйствах?
Практически используют инкубаторы двух типов: «Наседка» и ИПХ-5. Бытовой инкубатор «Наседка» рассчитан на инкубацию 48 куриных яиц. Потребляемая мощность 190 Вт, напряжение сети 220 В. Расход электроэнергии за один цикл инкубации 60 кВт*ч.
В малогабаритном настольном инкубаторе ИПХ-5 можно одновременно выводить цыплят из 50 яиц. Потребляемая мощность 85—100 Вт, напряжение сети 220 В.
Какие электрические насосы применяют в подсобном хозяйстве?
Электрический насос состоит из двух основных частей: электродвигателя и лопастного центробежного насоса. Рабочее колесо вместе с лопастями центробежного насоса заключено в корпус и соединено с валом электродвигателя.
При вращении рабочего колеса вода, заполняющая насос, под действием центробежной силы выбрасывается из корпуса, выполненного в виде улитки, в напорный трубопровод и подается в резервуар или на раздачу. Во время вращения рабочего колеса во всасывающем патрубке насоса создается вакуум, за счет которого вода непрерывно поступает во всасывающий трубопровод. Насосы центробежного типа могут работать только в том случае, если рабочее колесо, а следовательно, и всасывающий трубопровод заполнены водой. Поэтому, чтобы удержать воду внутри насоса при его остановке, на конце всасывающего трубопровода смонтировано приемное устройство с обратным клапаном. Если насос запускается в работу впервые или после ремонта, то в корпус насоса предварительно заливают воду.
У сельского населения наиболее распространены малогабаритные центробежные насосы «Кама», «Агидель», «Урал», ЦМВБ-1, 6-15, БЦНМ-3, 5/17, БЦНМ-4/17, 1СЦВ-1, 5 и ВС-0, 5/18М.
Помимо центробежных насосов, сельское население применяет насосы вибрационного типа. Принцип их действия основан на использовании электромагнитных колебаний, передаваемых клапану-плавнику. При сравнительно небольшой потребляемой мощности (250 Вт) и малой массе подача такого насоса достигает 1, 5 м^3/ч при полном напоре 20 м.
Электронасос «Кама» (рис. 22) объединяет электродвигатель и лопастный центробежный насос. Электрический двигатель типа УЛ-06 коллекторный, универсальный, снабжен специальным помехоподавляющим устройством. Его мощность 330 Вт, частота вращения 5000 мин^-1. Включать насос без нагрузки нельзя, так как частота вращения двигателя может возрасти до недопустимого значения. Основные части центробежного лопастного насоса — корпус и рабочее колесо. В комплект входит приемное устройство с обратным клапаном. Корпус насоса разъемный. При разборке насоса для осмотра или ремонта рабочего колеса всасывающий трубопровод демонтировать не нужно. Электродвигатель к насосу крепят болтами с пружинными шайбами. Вал, выходящий из насоса, уплотнен сальником, состоящим из двух резиновых манжет, вставки между ними, двух шайб и стягивающей гайки. Для гидравлического уплотнения в сальник подается вода из напорной полости через специальный канал в крышке насоса. Кожух защищает двигатель от попадания воды сверху.
Рабочее колесо насоса состоит из двух склепанных между собой дисков — верхнего и нижнего. Верхний диск снабжен лопатками, нижний придает рабочему колесу требуемую жесткость. Рабочее колесо закреплено на валу электродвигателя.
Чтобы удержать воду в насосе и во всасывающем трубопроводе, предусмотрено приемное устройство с фильтром и обратным клапаном, соединенное резьбой с концом всасывающей трубы. Приемное устройство устанавливают вертикально, так как обратный клапан закрывается под действи-
Рис. 22. Электронасос «Кама»:
1 - подставка; 2 - основание корпуса; 3 - прокладка; 4 - помеха- подавляющее устройство; 5 - электродвигатель; 6 - крышка насоса; 7 - сальник; 8 - рабочее колесо; 9 - приемное устройство
ем собственного веса. При работе насоса вода выбрасывается рабочим колесом через нагнетательное отверстие в напорный трубопровод. Часть воды перетекает обратно во всасывающий патрубок через зазоры между выступами рабочего колеса и расточками в крышке и корпусе насоса. Эти зазоры не должны быть больше 0,15 мм.
Сельские жители используют два типа этих насосов: «Кама-3» и «Кама-5». У них одинаковые габариты (диаметр 200 и высота 300 м) и масса (5,3 кг). Насосы рассчитаны на напор 17 м. У насоса «Кама-3» максимальная высота всасывания 6 м и подача 1,5 м^3/ч, у насоса «Кама-5» высота всасывания 7 м и подача 1,3—1,5 м^3/ч.
Принцип действия объемно-инерционных насосов с электромагнитным вибрационным приводом основан на использовании электромагнитных колебаний, передаваемых клапану-плавнику. При максимальном напоре до 40 м подача насосов составляет 1,5 м^3/ч. Их мощность до 250 Вт.
Электромагнитный бытовой насос «Малыш» (рис.23) предназначен для подъема воды из трубчатых скважин диаметром 100 мм. При работе насос должен быть полностью погружен в воду. Однотипный насос НЭБ-1/20 предназначен для скважин диаметром не менее 200 мм. Эти насосы питаются от однофазной сети напряжением 220 В. Время непрерывной работы до 2 ч с последующим отключением на 15—20 мин.
Вибрационный электронасос «Родничок» поднимает воду с глубины до 20 м, а «Струмок» — с глубины до 40 м. Насос «Струмок» по своим параметрам не отличается от насоса «Малыш». Мощность насоса «Родничок» 300 Вт, подача 0,5 м^3/ч.
Рис. 23. Установка электронасоса «Малыш»: а - в колодце;
б - в обсадной трубе; 1 - насос; 2 - связка провода со шлангом; 3 - капроновая подвеска; 4 - пружинная подвеска из резины; 5 - провод; 6 - шланг; 7 - перекладина; 8 - вилка; 9 - кольцо; 10 - обсадная труба
Рис. 22. Электронасос «Кама»
Рис. 23. Установка электронасоса «Малыш»
23. Какой источник света выбрать для освещения помещений?
Какой источник света выбрать для освещения помещений?
Рис. 24. Лампа накаливания:
1 — стеклянная колба; 2 — вольфрамовая нить; 3 — крючки;
4— электроды; 5 — центральная часть цоколя; 6 — резьба цоколя
Лампы накаливания — самые массовые источники оптического излучения. Это объясняется сравнительной простотой их устройства и надежностью в эксплуатации, возможностью непосредственного включения в сеть, отработанностью технологии и дешевизной. Несмотря на многообразие типоразмеров ламп накаливания, отличающихся номинальным напряжением, мощностью и родом тока, все они объединены единым физическим принципом получения видимого излучения (нагрев электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200-2800°С) и сходством применяемых во всех конструкциях основных составляющих элементов (рис. 24).
Лампы накаливания отличаются между собой электрическими, светотехническими и эксплуатационными характеристиками. Номинальный срок службы ламп накаливания (средняя продолжительность горения) достигает 1000 часов.
Рис.25. Люминесцентная трубчатая лампа низкого давления: 1 — стеклянная трубка; 2 — слой люминофора;
3 — электроды с вольфрамовой биспиральной нитью; 4 — стеклянные ножки; 5 — цоколь;
6 — контактные штыри
Обозначение ламп накаливания общего назначения состоит из букв (от 1 до 4): В — вакуумная, Г — газонаполненная (аргон 86% и азот 14% ); Б — биспиральная; БК — биспиральная с криптоновым ( криптон 86% и азот 14% ) наполнителем, МТ — с матированной колбой, МЛ — в колбе молочного цвета, О—с опаловой колбой и т.д. После буквенного обозначения следуют цифры, показывающие диапазон напряжения питания лампы в вольтах, на который рассчитана лампа, через дефис - номинальная мощность лампы в ваттах и далее порядковый номер разработки. Пример условного обозначения: Г 220-230-100 — газонаполненная на диапазон напряжений 220—230 В, номинальной мощностью 100 Вт.
Люминесцентные лампы низкого давления имеют более высокую, чем у ламп накаливания, световую отдачу, улучшенный спектральный состав излучения, значительно больший срок службы.
Люминесцентная лампа (рис.25) — это длинная стеклянная трубка (колба), внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора. Люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимое.
Люминесцентные лампы различают пo форме и размерам колбы, мощности и спектральному составу или цветности излучения. Выпускаемые промышленностью люминесцентные лампы типов ЛБ, ЛД, ЛТБ и ЛХБ, ЛЕ, ЛБЕ, ЛХЕ и др. отличаются только составом люминофора, а следовательно, и спектральным составом излучения. Буквы, входящие в наименование этих типов ламп, означают: Л—люминесцентная, Б—белая, Д—дневная, ТБ—тепло-белая, ХБ—холодно-белая, Е—естественная, БЕ— белая естественная, ХЕ—холодно-естественная, УФ—ультрафиолетовая, Ф—фотосинтетическая, Р—рефлекторная, У-И-образная, К— кольцевая, А—амальгамная. Среди ламп указанных цветностей различают еще лампы с улучшенным спектральным составом излучения, обеспечивающим хорошую цветопередачу освещаемых предметов. В обозначении этих ламп после букв, характеризующих цветность излучения, добавляют букву Ц (ЛДЦ, ЛХБЦ, ЛЕЦ и т.д.). Сразу после буквенного обозначения следуют цифры, указывающие номинальную мощность лампы в ваттах и через тире — порядковый номер разработки.
Люминесцентные лампы выпускают на мощности: 6, 9, 11, 15, 18, 20, 30, 36, 40, 58, 65, 80, 125 и 150 Вт. Средняя продолжительность горения люминесцентных ламп не менее 12000 ч. Оптимальными условиями работы ламп являются t= 18—25°С и относительная влажность воздуха не более 70 %. В условиях низкой температуры и влажности они плохо «загораются» и выходят из строя.
Как включить электрические лампы в электрическую сеть?
Лампы накаливания включают в сеть между фазным и нулевым проводами. К верхнему контакту патрона подсоединяют фазный провод, а к боковой резьбе — нулевой. Выключатель устанавливают в рассечку фазного провода.
Рис. 26. Схемы включения электрических ламп накаливания: а — выключателем однополюсным; б — выключателем однополюсным на две цепи; в — управление из двух мест при помощи переключателей; EL1, EL2 — лампы накаливания; QS — выключатель; QS1 — выключатель сдвоенный; SA1, SA2 — переключатели
В зависимости от конструкции переключателя можно различным образом управлять работой ламп:
включать и выключать их одновременно или поочередно и т. п., для включения и отключения группы ламп из двух разных мест можно использовать переключатель (рис.26).
Kак включить простейший светильник с люминесцентной лампой?
Включение люминесцентных ламп более сложно, так как требуется пробить газовый промежуток между электродами и зажечь лампу. Возникающий газовый разряд необходимо стабилизировать, иначе ток в лампе возрастет выше допустимого и перегорят электроды.
Для зажигания люминесцентной лампы и ее нормальной работы требуется стартер (зажигатель), дроссель (ПРА — пускорегулирующий аппарат), конденсаторы. Стартер служит для автоматического включения и выключения предварительного накала электродов. Дроссель, представляющий собой
Рис.27. Схемы включения люминесцентных ламп: а-стартерная с дросселем; б—с лампой накаливания в качестве балласта; EL1 — лампа люминесцентная; КК — стартер; С — конденсатор; LL — дроссель; EL2 — лампа накаливания
обмотку, намотанную на сердечник из листовой электротехнической стали, облегчает зажигание лампы, а также ограничивает ток и обеспечивает ее устойчивую работу. На рис. 27, а приведена простейшая схема стартерного зажигания люминесцентной лампы, включенной в сеть 127—220 В. При этом следует помнить, что стартеры включаются параллельно лампе, а дроссели — последовательно с лампой.
Обозначение стартера включает: С — стартер;
20 или 80 — предельные значения мощности люминесцентных ламп, для которых предназначен стартер; 65 — мощность лампы, для которой предназначен стартер; 127 или 220 — номинальное напряжение стартера. Например, 20С-127 - стартер для люминесцентных ламп предельной мощностью 20 Вт включительно, то есть 4, 6, 8, 15, 18 и 20 Вт; 65С-220 — стартер для люминесцентных ламп мощностью 65 Вт; 80С-220 — стартер для люминесцентных ламп предельной мощностью 80 Вт включительно, за исключением ламп мощностью 65 Вт, то есть 13, 30, 36, 58 и 80 Вт.
Каждому ПРА присваивается шифр условного обозначения, который характеризует его назначение, устройство, исполнение и параметры. Например, 2УБИ-40/220-АВПП-900 ГОСТ 16809-71. Двухламповый индукционный стартерный аппарат с предварительным подогревом электродов к лампам мощностью 40 Вт для включения в однофазную сеть 220 В, со сдвигом фаз между токами ламп встроенного исполнения, с особо пониженным уровнем шума, номер разработки — 900.
Зажигание и горение люминесцентной лампы возможно только в том случае, если мощность лампы соответствует мощности ПРА.
Вместо дросселя можно использовать лампу накаливания, включив ее по схеме, показанной на рис. 27, б.
Для надежного зажигания люминесцентной лампы к ее штырю присоединяют металлический проводник в виде достаточно широкой металлической полосы (фольги), расположенной по поверхности лампы. Полосу присоединяют к одному из выводов электродов.
Можно также заземлять полосу (в этом случае ее нельзя соединять с выводами лампы) или проложить вдоль самой лампы один из монтажных токоведущих проводов и закрепить его по концам колбы проволочными хомутиками.
После сборки схемы в светильник устанавливают лампу и стартер. Штырьки обоих цоколей лампы одновременно вставляют до отказа в прорези, находящиеся в верхней части патрона, и поворачивают лампу на 90°. Эту операцию следует проводить осторожно во избежание отрыва колбы от цоколя.
Стартер вставляют в предназначенное для него гнездо стартеродержателя и поворачивают по часовой стрелке до упора.
Какие лампы применяют для освещения открытых площадок?
Рис.28. Лампа ДРЛ: 1—колба; 2—слой люминофора; 3— кварцевая трубка (горелка);
4—два основных вольфрамовых электрода; 5—два дополнительных (поджигающих) электрода; 6—резистор; 7— цоколь
Лампы типа ДРЛ (рис.28) — ртутные люминесцентные лампы высокого давления — широко распространены для освещения производственных территорий, строительных площадок, проезжих частей дорог, а также промышленных предприятий, не требующего высокого качества цветопередачи.
Промышленность выпускает восемь типоразмеров ламп ДРЛ мощностью 50, 80, 125, 250, 400, 700, 1000, 2000 Вт для включения в сеть переменного тока номинальным напряжением 220 и 380 В. На рис.29 приведена схема зажигания лампы ДРЛ.
Металлогалогенные лампы типа ДРИ по конструкции в общих чертах подобны двухэлектродным лампам типа ДРЛ. В обозначении ламп ДРИ буквы
обозначают: Д—дуговая, Р—ртутная, И—с излучающими добавками, 3—зеркальная. Первое чис-
Рис. 29. Схема включения ламп ДРЛ: FU — предохранитель;
С — конденсатор; EL — лампа ДРЛ; LL — дроссель
ло после буквенного обозначения указывает номинальную мощность в ваттах, а второе после дефиса — номер разработки или модификации. Промышленность изготавливает лампы типа ДРИ шести типоразмеров: на 250, 400, 700, 1000, 2000, 3500 Вт. Средняя продолжительность горения 0,6 — 10 тыс. часов.
Рис. 24. Лампа накаливания
Рис. 25. Люминесцентная трубчатая лампа низкого давления
Рис. 26. Схемы включения электрических ламп накаливания
Рис. 27. Схемы включения люминесцентных ламп
Рис. 28. Лампа ДРЛ
Рис. 29. Схема включения ламп ДРЛ
24. Как обеззаразить помещение, воду или получить «Загар» зимой?
Как обеззаразить помещение, воду или получить «Загар» зимой?
Решение этих задач возможно при использовании ультрафиолетового излучения. Излучения этой области при определенных дозах облучения оказывают благотворное действие на живые организмы, они способны превращать провитамин D в активно действующий витамин D, который управляет процессами отложения солей кальция в костных тканях животных. Излучения этой области обладают сильным бактерицидным действием. Они используются для стерилизации воздуха, воды, посуды и т. д.
Источником ультрафиолетового излучения в основном являются лампы ДБ, ЛЭ, ЛЭР и ДРТ. Лампы ДРТ используют в сети переменного тока напряжением 127 или 220 В. Нормальное положение ламп при работе — горизонтальное. Режим работы устанавливается через 8—15 мин после включения. Лампы ДРТ дают мощный поток ультрафиолетовых лучей с длинами волн от 240 нм до границ видимого спектра. Они применяются с профилактической и лечебной целью в медицине, а также для бактерицидного и эритемного облучения в животноводческих помещениях — в первую очередь молодняка. Срок службы ламп ДРТ не менее 800 ч.
Эритемные люминесцентные лампы типов ЛЭ-30, ЛЭР-30, ЛЭР-40 устроены подобно обычным люминесцентным лампам типов ЛБ или ЛД, но отличаются от них составом люминофора и сортом стекла трубки. Состав люминофора подбирают так, чтобы длина волны излучения находилась в пределах 280—380 нм, что способствует недостающему зимой ультрафиолетовому излучению солнца. Максимум излучения лежит в пределах 310-320 нм. Излучение этой лампы богато не только эритемным действием, но и антирахитньм так как относительные эритемная и антирахитная эффективности в значительной мере совпадают.
Обозначение лампы ЛЭР-40 расшифровывается так: лампа эритемная рефлекторная (с отражающим слоем), мощностью 40 Вт. При работе лампа дает слабое голубое свечение, что вызывается излучением паров ртути в видимой области спектра, проходящим через слой люминофора. Схема включения лампы аналогична схеме включения люминесцентных ламп дневного или белого света.
Эритемные люминесцентные лампы можно применять совместно с люминесцентными лампами, а также с лампами накаливания. Их можно использовать с искусственным освещением, в основном в темные часы суток. В связи с тем, что осветительные и Эритемные лампы, возможно, будут действовать в разное время, необходимо предусматривать раздельное включение и выключение зритемных и осветительных ламп.
Для защиты зрения применяют либо светильники с системой плоских пластинок, либо светильники отраженного света.
Бактерицидные лампы типа ДБ представляют собой газоразрядные ртутные лампы низкого давления, устроенные подобно лампам ЛБ, ЛД и ЛЭ.
Бактерицидные лампы изготовляют мощностью 60 Вт (лампа ДБ-60) и мощностью 30 Вт (ДБ-30).
Схемы включения бактерицидных ламп аналогичны схемам включения эритемных и люминесцентных ламп.
Бактерицидные лампы можно применять для обеззараживания воздуха помещений, предметов обихода, питьевой и минеральной воды, для обез-
замораживания и предохранения от микробного загрязнения пищевых продуктов, оборудования и тары на пищевых предприятиях.
Обеззараживать воздух помещений ультрафиолетовым облучением можно как в присутствии, так и в отсутствие людей. В первом случае необходимо применять меры к максимальному сокращению бактерицидной облученности на уровне до 2 м от пола. Применять неэкранированные («голые») лампы, которые могут оказываться в поле зрения, категорически запрещается, так как их излучение может вызвать конъюктивит.
Как обогреть молодняк птицы и животных или увеличить скорость высыхания автомобиля после покраски?
Решение этих задач возможно при использовании инфракрасного излучения. Излучение этой области производит нагрев поверхностей, находящихся под лампами-термоизлучателями. Источником ИК-излучения служит биспираль из вольфрамовой проволоки, нагреваемая в рабочем режиме до температуры 1800—2300°С. Конструкция ламп-термоизлучателей в общих чертах схожа с конструкцией осветительных ламп накаливания. Для снижения интенсивности видимого излучения нижнюю часть колбы некоторых инфракрасных ламп покрывают красным (лампы ИКЗК) или синим (лампы ИКЗС) термостойким лаком. С внутренней стороны в верхней части колбы нанесено зеркальное покрытие. Лампа вкручивается в обычный патрон Ц27, работает на напряжении 220 В без дополнительной пускорегулирующей аппаратуры. Срок службы ламп 2—10 тыс. ч.
Обозначение ламп: ИК— инфракрасная; 3 — зеркальная; К или С — цвет окрашенной колбы; напряжение сети в вольтах и мощность лампы в ваттах, например - ИКЗК220-250.
25. Как подключить патрон?
Как подключить патрон?
В светильниках применяют патроны различной конструкции. Для ламп накаливания и ламп ДКЛ предназначены резьбовые патроны: для ламп мощностью до 60 Вт — патроны с диаметром резьбы 14 и 27 мм (или с резьбой Ц14 — малый цоколь и Ц27 — средний цоколь), для ламп мощностью до 200 Вт — патроны с резьбой Ц27, а для ламп мощностью от 300 до 1500 Вт -патроны с резьбой Ц40 (большой цоколь).
По конструктивному исполнению различают патроны подвесные с ниппелем, с ушком для подвешивания, потолочные и настенные. Наиболее распространены патроны в пластмассовом и фарфоровом корпусах. Контакты и контактные зажимы для присоединения проводов смонтированы на фарфоровых вкладышах.
К контактным зажимам патронов можно присоединить медные провода сечением 0, 5; 0, 75; 1;
1, 5; 2, 5 мм^2 и алюминиевые 2, 5 мм^2.
При зарядке патрона нулевой провод прикрепляют к винтовой гильзе патрона, а фазный - к верхнему контакту патрона (рис. 30).
Патроны для люминесцентных ламп выпускают стоечные, круглые и накидные с корпусами из пластмассы. К контактным зажимам патронов можно присоединять медные провода сечением до 1, 5мм^2.
Рис. 30 Патрон после зарядки (в разрезе)
26. Что представляет собой светильник?
Что представляет собой светильник?
Основными конструктивными элементами светильников являются: устройство крепления светильника, источник света, устройство подведения электрического напряжения (патрон), отражатель, рассеиватель.
Промышленностью выпускаются светильники для различных источников света: ламп накаливания, газоразрядных ламп, люминесцентных трубчатых ламп и др. Светильники для газоразрядных ламп (низкого и высокого давления) комплектуются пускорегулирующей аппаратурой (ПРА).
По способу крепления светильники подразделяются на подвесные, потолочные, встроенные в потолок, настенные, напольные (торшеры), настольные и др.
Установка светильников в помещении производится в зависимости от условий окружающей среды. Для предохранения источника света от воздействий окружающей среды светильники выполняются различного исполнения по степени защиты.
По степени защиты от взрыва светильники бывают взрывобезопасные (В) и повышенной надежности против взрыва (Н).
По назначению светильники различают: для производственных помещений, для общественных зданий, для наружного освещения, для бытовых помещений.
В соответствии с ГОСТ 13677-82 каждому светильнику присваивается шифр (условное обозначение). Структура обозначения следующая:
где 1—буква, обозначающая источник света (Н— лампа накаливания общего назначения. И—кварцевые галогенные лампы накаливания, Л—прямые трубчатые люминесцентные лампы, Ф—фигурные люминесцентные лампы, Р—ртутные лампы типа ДРЛ, Г—ртутные лампы типа ДРИ, Ж—натриевые лампы. Б—бактерицидные лампы, К—ксеноновые трубчатые лампы и т. д.); 2—буква, обозначающая способ установки светильника (С—подвесные, П—потолочные, Б—настенные, Т—напольные и венчающие, В—встраиваемые, К—консольные, Р—ручные сетевые, Ф—ручные аккумуляторные и т. д.); 3—буква, обозначающая основные назначения светильников (П—для промышленных предприятий, Р—для рудников и шахт, О—для общественных зданий. Б—для жилых (бытовых) помещений. У—для наружного освещения); 4—двухзначное число (01—99), обозначающее номер серии; 5—цифра (цифры), обозначающая количество ламп в светильнике; б—цифры, обозначающие мощность ламп, Вт; 7—цифры (000— 999), обозначающие номер модификации; 8—буква и цифра, обозначающие климатическое исполнение (У—для районов с умеренным климатом,Т—для районов с тропическим климатом и т.д.) и категорию размещения светильников (1—на открытом воздухе, 2—под навесом и другими полуоткрытыми сооружениями, 3—в закрытых неотапливаемых помещениях, 4—в закрытых отапливаемых помещениях).
Каждая серия объединяет светильники, имеющие конструктивные особенности, определяемые примененным материалом и формой рассеивающих и экранирующих элементов, характером обслуживания, способом подвески (на трубу, на крюк, на трос и т.д), способом присоединения к питающей сети (через штепсельный разъем, клеммник или непосредственно к проводке). Конструкции большинства светильников предусматривают встроенный штепсельный разъем.
Как выбрать светильник?
При выборе светильника учитывают: условия окружающей среды, требования к характеру светораспределения, электробезопасность и экономическую целесообразность.
В квартирах и комнатах с низкими потолками рекомендуется применять светильники, люстры с короткими и регулирующимися штангами, шнурами; подвесы с плоскими рассеивателями, подобранными по декоративной расцветке, соответствующей цвету стен жилого помещения. Можно применять потолочные светильники и плафоны с декоративной отделкой.
Для комнат и квартир с высокими потолками, просторных помещений подойдут многорожковые люстры, декоративные подвесные светильники с большим количеством (3, 4, 5) рассеивателей.
Для создания уюта и обстановки, способствующей отдыху человека после трудового дня, учебы, чтению художественной литературы, применяют светильники для местного освещения. Вариантов исполнения светильников местного освещения очень много. Они бывают настольными, потолочными, настенными, напольными.
В целях экономии электроэнергии, создания мягкого светораспределения, однородной освещенности и яркости применяют светильники с люминесцентными лампами. Промышленность выпускает много модификаций люминесцентных светильников разной конфигурации и декоративных рисунков рассеивателя.
Спальня кроме общего освещения может иметь светильник возле туалетного столика. Лучше всего устроить двустороннее освещение. Источник света располагают на уровне головы человека, сидящего у столика, чтобы был мягкий, рассеянный свет белого или чуть розового оттенка. Свет, падающий сверху, дает глубокие тени на лице.
Прихожая должна быть ярко освещена: висячий светильник или плафон под потолком, а также бра, лучше всего с обеих сторон зеркала и примерно на уровне головы.
Детская комната — рекомендуется общее освещение, специальное (над рабочим столом и местом для игр) и ночник. В комнатах для детей дошкольного возраста светильники, выключатели и штепсельные розетки ставятся в местах, не доступных для детей. Проводка лучше всего скрытая. В детских комнатах не следует ставить настольных ламп, падение их может вызвать несчастный случай. Над рабочим местом ребенка желательно иметь настенную лампу на шарнирных кронштейнах, прикрепленную с левой стороны стола. Абажур висячей лампы должен быть сделан из материала, рассеивающего свет. Абажур настенной лампы из непрозрачного материала должен давать узкую полоску света, сосредоточенного на рабочем месте. Освещение комнаты достаточно яркое, но без резкого перехода от света к тени.
Кухня может иметь общее освещение и местное — над рабочим столом хозяйки, над плитой. Для освещения кухонного стола, мойки, плиты очень удобны лампы дневного света: они более прочны, а энергии расходуют в четыре раза меньше, чем обычные лампы. Над обеденным столом люминесцентные лампы устанавливать не рекомендуется, они придают продуктам бледный, неаппетитный вид.
Ванная — рекомендуется ставить вверху плафон, освещающий всю комнату. Здесь можно применять лампы накаливания и люминесцентные.
В подсобных помещениях светильники выбирают по назначению и условиям окружающей среды.
Сухие складские помещения — следует применять светильники со стеклянным отражателем, предотвращающим выпадание колбы лампы при эксплуатации (ПСХ-60, НСП-03, НСП-01).
Погреба, коридоры, сени, веранды освещаются светильниками, изготовленными для помещений с повышенной влажностью, или подвесными патронами, изготовленными из фарфора (НБО-60, ПСХ-60, ПСХ-75).
Подсобные помещения для содержания скота, птицы, а также сараи освещаются светильниками, рассчитанными для помещений с химически активной средой. К ним относятся «Астра-1», «Астра-2», «Астра-11», «Астра-12» и т. д.
Мощность ламп для жилых комнат выбирают исходя из удельной мощности, т. е. около 10 Вт на один квадратный метр площади. Для нежилых помещений квартиры предусматривается удельная мощность 6 Вт/м^2.
Светильники с люминесцентными и ртутными лампами типа ДРЛ применяют для освещения помещений, где выполняют работу большой и средней точности, а также в производственных помещениях с недостаточным или отсутствующим естественным освещением, во вспомогательных помещениях с постоянным пребыванием людей при нормируемой освещенности выше 100 лк. Светильники с этими типами ламп и прожекторы с лампой ДРЛ рекомендуются для освещения дворовых территорий и открытых пространств, требующих повышенной освещенности. Кроме того, светильники с люминесцентными лампами ЛДЦ применяют в помещениях, где выполняются работы, требующие распознавания цветовых оттенков.
Светильники с ртутными лампами ДРЛ целесообразно применять при высоте помещения более б м, где не требуется правильного различия цветов в наружных установках.
Как закрепить и подключить светильник (люстру)?
Во время подготовительных работ намечают место установки светильника, пробивают отверстия, сквозные проходы, гнезда для установки крепежных деталей. При этом, если потолок сплошной, сквозь него пробивают отверстие, через которое пропускают крюк и закрепляют гайкой с верхней стороны. Если перекрытие полое, то крюк укрепляют в полости панели с помощью проволочной защелки, после чего отверстие заделывают цементным раствором.
Подвесные светильники прикрепляют к перекрытиям на крюках. Заводы изготовляют несколько видов крюков и других приспособлений для крепления светильников к перекрытиям, выполненным как из многопустотных плит, так и из монолитной конструкции (рис. 31).
Крюки У623Б применяют для подвески светильников массой до 15 кг к многопустотным плитам
Рис. 31. Арматура для крепления светильников: а — крюк У623; б - крюк У625; в - шпилька У632; 1 - ось; 2 - крюк с изолирующим колпаком; 3 — опорная планка
перекрытий. В зависимости от размера этих плит опорные планки 3 крюков могут переставляться на оси 1. Концы крюков обязательно изолируют колпачком 2.
Крюки У625, У629 размером соответственно 155 и 215 мм, изготовляемые из стали с металлическим покрытием, используют для подвески светильников массой до 7 кг к сплошным плитам перекрытий.
Крюки и шпильки с поворотными планками позволяют завести их в отверстие в перекрытии и закрепить в нем снизу, что значительно облегчает их установку. В соответствии с требованиями к подвеске светильников с металлическими корпусами в жилых и общественных зданиях конец крюков должен быть покрыт изоляцией.
Соединение проводов сети и светильника в этих случаях выполняют с применением колодок-зажимов.
Для зарядки осветительной арматуры общего освещения должны применяться провода с медными жилами сечением не менее 0, 5 мм^2 внутри зданий и 1 мм^2 вне зданий.
Металлические корпуса светильников общего освещения с лампами ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и люминесцентными необходимо занулять при помощи перемычки между нулевым проводом и заземляющим винтом светильника.
Рис. 31. Арматура для крепления светильников:
Структура обозначения светильников в соответствии с ГОСТ 13677-82
27. Какие розетки применяют для электропроводок и как осуществить их установку?
Какие розетки применяют для электропроводок и как осуществить их установку?
Штепсельные соединения применяют для включения однофазных и трехфазных электрических приемников с номинальными токами до 10 А в сеть напряжением 220 В и до 25 А в сеть 380 В.
Двухполюсные штепсельные соединения выпускают с цилиндрическими или плоскими контактами, трехполюсные — только с плоскими контактами. Штепсельные соединения с плоскими контактами имеют меньшие размеры и больший срок службы.
Штепсельные соединители состоят из розеточной 1 и штепсельной 2 частей с цилиндрическими 3, плоскими 4 или комбинированными штифтовыми контактами. Между зазорами контактов должно быть определенное расстояние (19 мм для цилиндрических и 12,7 мм для плоских).
Розеточная часть комбинированных штепсельных соединителей (штепсельных розеток) позволяет подсоединять вилочную часть (вилки) как с цилиндрическими, так и плоскими контактами. Вилки, как правило, имеют неразборную. конструкцию и запрессовываются на конце шнура, который входит в комплекты бытовых приборов и аппаратов. Для повышения безопасности цилиндрические контактные шнуры неразъемных вилок спрессовывают у основания пластиком на длине 10 мм. Разборные вилки чаще всего используют для комплектации приборов небытового назначения, а также для замены неразъемных вилок, вышедших из строя.
Рис. 32. Штепсельные электрические соединения: а — розетка для открытой установки и штепсельная часть с цилиндрическими контактами; б —розетка и штепсельная часть с плоскими контактами; в ~ розетка с комбинированными штифтовыми контактами; г — трехполюсные штепсельные соединители с тремя питающими и одним заземляющим плоскими контактами; д — штепсельные соединители для открытой установки с двумя цилиндрическими питающими и одним плоским заземляющим контактом; е — штепсельные над плинтусные розетки; ж — штепсельные розетки для подключения двух вилок;
1 — розетка; 2 — штепсельная часть (вилка); 3 — цилиндрические контакты; 4 — плоские контакты; 5 — заземляющий плоский контакт; б — заземляющий контакт
Кроме двухконтактных применяют штепсельные соединители с двумя питающими и одним заземляющим 5 плоскими контактами, изготовляемыми как для открытой, так и для скрытой установки, с двумя цилиндрическими питающими и одним плоским заземляющим контактом 6 (рис. 32, д), расположенным в корпусе соединителя, трехполюсные с тремя питающими и одним заземляющим плоскими контактами (рис. 32, г).
Выпускаются штепсельные розетки (рис. 32, е) для установки над плинтусами (надплинтусные), которые в целях безопасности снабжены поворотной шайбой для подключения вилки только после ее поворота на определенный угол, что повышает их безопасность. Нижняя часть этих розеток выполняет функции ответвительной коробки. Для установки на электротехническом плинтусе применяют специальные штепсельные розетки с плоскими контактами (рис. 32, ж), рассчитанные на одновременное подключение двух вилок.
Установка штепсельных розеток в помещениях запираемых складов, содержащих горючие материалы или материалы в сгораемой упаковке, не допускается. В пожароопасных помещениях классов П-I и П-II допускается установка розеток пыленепроницаемого, а в помещениях класса П-IIа и в наружных установках классаП-III — закрытого исполнения. Во взрывоопасных помещениях розетки устанавливают вне этих помещений.
Розетки, имеющие пластмассовые корпуса и предназначенные для открытой установки, в помещениях с нормальной средой устанавливают путем крепления их шурупами к деревянным розеткам толщиной 10 мм.
Розетки для скрытой установки размещают в стальных или пластмассовых коробках, оставляя в них запас провода 5-6 см. Розетки крепят в коробках распорными лапками, закрутив до упора винты.
Розетки ставят на высоте 0,3—0,8 м от пола в жилых помещениях, надплинтусные розетки — у плинтуса.
Какие выключатели применяют для электропроводок и как осуществляется их установка?
Выключатели и переключатели служат для коммутации электрических цепей освещения и бытовых приборов. Они бывают различной конструкции: поворотные, перекидные, одно- и двухклавишные, с тяговым шнурком. Их изготовляют защищенного исполнения для открытой (рис. 33) и скрытой (рис. 34) установок и в брызгозащищенном исполнении для открытой установки. Наибольший нормальный ток выключателей 6 А (для металлокерамических контактов 10 А).
Место установки выключателей зависит от их конструкции и характера помещения.
Выключатели и переключатели для общего освещения устанавливают в доступных местах, обычно на стенах помещений, сбоку от дверных проемов со стороны дверной ручки на высоте 1, 5 м.
Выключатели для светильников, установленных в сырых и особо сырых помещениях (в том числе и санузлах), рекомендуется выносить в смежные помещения с лучшими условиями среды. Выключатели для светильников, установленных в кладовых, вентиляционных камерах и других нормально запираемых помещениях, как правило, устанавливают перед входом в эти помещения.
В пожароопасных помещениях классов П-I и П-II допускается установка выключателей, переключателей пыленепроницаемого, а в помещениях класса П-IIа и в наружных установках класса П-III — закрытого исполнения. Во взрывоопасных помещениях выключатели устанавливают вне этих помещений.
Выключатели, имеющие пластмассовые корпуса и предназначенные для открытой установки, в помещениях с нормальной средой устанавливают путем крепления их шурупами к деревянным розеткам толщиной 10 мм.
Выключатели для скрытой установки размещают в стальных или пластмассовых коробках, оставляя в них запас провода 5—6 см. Выключатели крепят в коробках распорными лапками, закрутив до упора винты.
Одноклавишные выключатели устанавливают таким образом, чтобы контакты для подключения проводов находились снизу.
Выключатели герметического исполнения при открытой установке крепят на стене или на стальных скобах.
Рис. 34. Выключатели для скрытой установки:
а, б, в, д - клавишные сдвоенные; г - одинарный; е - строенный
Какие коробки применяют для электропроводок?
Коробки применяют для изоляции мест соединений, ответвлений проводов, кабелей осветительных и силовых сетей, а также для встраивания и крепления внутри них выключателей, переключателей и штепсельных розеток при скрытой проводке. Для открытых проводок применяют коробки защищенного, пыленепроницаемого и брызгозащищенного исполнения, а для скрытых проводок — защищенного исполнения.
Для ответвлений и соединений проложенных открыто проводов марок АПН, ППВ, АППВ, АТПРФ сечением до 2, 5 мм^2 применяют пластмассовые коробки У419, У420 защищенного исполнения. Соединение и ответвление кабелей марок ВРГ, АВРГ, СРГ, АСРГ, АНРГ и др. сечением до 2х4 мм^2, прокладываемых открыто (без труб) во взрывоопасных помещениях и наружных установках, производят в пластмассовых коробках У409 пыленепроницаемого исполнения. Для проводок, выполненных в сырых и пыльных помещениях кабелем с резиновой или пластмассовой изоляцией, и проводок в открыто проложенных неметаллических трубах с жилами сечением до 6 мм^2 используют пластмассовые коробки КОР-73, КОР-74 в брызгозащищенном исполнении. Ответвления от силовой и осветительной магистрали, выполненной кабелем или проводами, закрепленными на проволоке диаметром до 8 мм, а также специальными тросовыми проводами сечением до 10 мм^2, производят в металлических коробках У245, до 35 мм^2 - У246.
Ответвления и соединения проводов марок АППВ, АППВС, ППВ, ППВС, АПН, АПВ и ПВ, проложенных скрыто, выполняют в пластмассовых коробках У191, У194 и У197, У198, КСТ-15, имеющих стальной корпус и пластмассовую крышку. Для установки выключателей и штепсельных розеток применяют стальные коробки У196 цилиндрической и КП-4 - прямоугольной формы.
Для выполнения соединения жил проводов и кабелей, для подключения установочной аппаратуры в коробках оставляют концы длиной 5—6 см.
Рис. 32. Штепсельные электрические соединения:
Рис. 33. Выключатели для открытой установки
Рис. 34. Выключатели для скрытой установки
28. Как выполнить соединение, оконцевание жил провода (кабеля) и подключение к зажимам аппаратов?
Как выполнить соединение, оконцевание жил провода (кабеля) и подключение к зажимам аппаратов?
Соединение алюминиевых жил должно быть выполнено опрессовкой или сваркой, допускается соединение проводников пайкой. Провода сечением более 10мм^2 запрещается соединять скруткой.
Опрессовку алюминиевых проводов производят следующим образом. Концы проводов освобождают от изоляции, зачищают металлической щеткой или ножом до блеска и вводят в алюминиевую гильзу, наполненную цинковазелиновой или кварцевазелиновой пастой. Гильзу с проводами опрессовывают клещами. Опрессовку предварительно скрученных однопроволочных жил сечением 2, 5 — 10 мм^2 можно производить специальными клещами типа КСП без применения гильзы и пасты.
Сварку алюминиевых проводов и кабелей сечением 4—10 мм^2 производят специальными клещами. Напряжение 6—12 В подводят от трансформатора мощностью 0, 5—1 кВА. Ток сварки (до 100 А) регулируют переключением отпаек трансформатора. Сварку производят с применением флюса АФ-44 угольным электродом при помощи обжимки и плоскогубцев (рис. 35, а) или скруткой с последующей сваркой угольным электродом (рис. 35, б).
Многопроволочные алюминиевые провода сечением 16—25 мм^2 соединяют сваркой при помощи специальной разъемной формы, угольного электрода, паяльной лампы или горелки и присадочного алюминиевого прутка.
Припайке проводов сечением 4—10мм^2 снимают изоляцию с концов жил, зачищают их ножом, стальной щеткой или наждачной бумагой до блеска и скручивают. Место соединения нагревают пламенем горелки или паяльной лампы и облуживают специальными припоями типа А, Б и кадмиевым. Флюс при этом не нужен. При применении мягких припоев типа АВИА-1 и АВИА-2 (температура плавления 200°С) применяют флюс АФ-44. Места пайки обязательно очищают от остатков флюса, протирают бензином, покрывают влагонепроницаемым (асфальтовым) лаком, а затем изоляционной лентой, которую также покрывают лаком.
Медные однопроволочные и многопроволочные провода сечением до 10 мм2 соединяют скруткой (рис. 35, в, г) с последующей пропайкой места соединения припоями ПОС-30 (30% олова и 70% свинца), ПОС-40 и канифолью в качестве флюса. Применять кислоту или нашатырь при пайке нельзя. Места соединения скруткой должны быть длиной не менее 10—15 наружных диаметров соединяемых жил.
Опрессовку медных проводов производят следующим образом. Провода зачищают от изоляции на длину 25—30 мм и укладывают параллельно внахлестку. Сложенные концы туго обертывают двумя слоями медной фольги толщиной 0, 2—0, 3 мм и спрессовывают. При качественно выполненной опрессовке провода и фольга не имеют обрывов.
Оконцевание проводов под винтовой зажим осуществляют в виде кольца, а под плоский зажим — в виде стержня (рис. 36, а).
При сечении провода до 4 мм^2 включительно оконцевание в виде кольца выполняют следующим образом. С конца провода снимают изоляцию на
Рис. 35. Соединение проводов: а — сваркой алюминиевых проводов при помощи обжимки и плоскогубцев; б — сваркой предварительно скрученных медных или алюминиевых жил при помощи угольного электрода; в — скруткой и облуживанием медных или алюминиевых жил; г ~ скруткой и пропайкой медных, многопроволочных жил; 1— держатели электродов; 2 — угольные электроды
длине, достаточной для выполнения кольца. Жилу жесткого провода закручивают в кольцо по часовой стрелке, а гибкого провода — в стержень, а затем в кольцо и облуживают (рис. 36, б, в).
Оконцевание провода в виде стержня производят следующим образом: с конца провода удаляют изоляцию; для гибкого провода стержень скручивают и облуживают. При сечении жил 6 мм^2 и больше оконцевание. Производят кабельными наконечниками.
Лучшим способом оконцевания является оконцевание наконечниками типа Т (трубчатый), ТА (трубчатый алюминиевый) и ТАМ (трубчатый медно-алюминиевый) способом местного вдавливания пресс-клещами ПК-1 для жил сечением до 50 мм^2.
Рис. 36. Оконцевание жил проводов под винтовой и плоский зажимы: а — жесткий провод; б, в — гибкий провод
Особенность опрессования. оконцеваний и соединений алюминиевых жил в отличие от медных заключается в применении кварцевазелиновой пасты, а также в выполнении наконечников и соединительных гильз из чистого алюминия с увеличенными в длину и толщину стенками трубчатой части и большей площадью опрессования.
Переход между трубчатой частью кабельного наконечника и изоляцией провода изолируют полихлорвиниловой трубкой или лентой.
Присоединению проводов к зажимам аппаратов должно предшествовать оконцевание провода (в виде кольца или стержня).
Присоединение к одному контактному зажиму более 2 проводов запрещается. Зажимы должны соответствовать величине номинального напряжения и тока. Зажимные винты рассчитаны на присоединение проводов следующих сечений: в зажимах до 10 А — двух проводов сечением до 4 мм^2 без наконечников; в зажимах до 25 А — двух проводов сечением до 6 мм^2 без наконечников; в зажимах до 60 А - двух проводов сечением до 6 мм^2 без наконечников и одного провода сечением 10 или 16 мм^2 с наконечником.
Винтовой зажим, к которому присоединяются алюминиевые жилы, должен иметь устройство, ограничивающее возможность раскручивания колечка и не допускающее ослабления контактного давления вследствие текучести алюминия.
Колечко алюминиевого однопроволочного провода перед вводом под контакт зачищают и смазывают кварцевазелиновой или цинковазелиновой пастой. На присоединяемые провода надевают хлорвиниловые трубки, на которые дихлорэтановыми чернилами наносят маркировку провода.
Присоединение проводов к аппаратам, имеющим контактные лепестки, производят пайкой. Спаянные монтажные соединения должны обеспечивать надежность электрического контакта и необходимую механическую прочность. Основным материалом для пайки является припой ПОС-40, а для ответственной аппаратуры — ПОС-61. Припой рекомендуется применять в виде трубок с канифольным наполнением или проволоки диаметром 1—3 мм. Флюсом служит раствор канифоли в спирте, а также канифоль сосновая высшего или первого сорта.
Рис. 35. Соединение проводов: а — сваркой алюминиевых проводов при помощи обжимки и плоскогубцев; б — сваркой предварительно скр
Рис. 35. Соединение проводов: г - скруткой и пропайкой медных, многопроволочных жил
Рис. 36. Оконцевание жил проводов под винтовой и плоский зажимы
3. Как "оживить" электрических помощников
Как "оживить" электрических помощников
1. Kак выполнить ввод в здание?
Kак выполнить ввод в здание?
Вводы воздушных линий электропередачи в здания делят на два участка: ответвление от воздушной линии до ввода — участок проводов от опоры ВЛ до ввода в здание; ввод в здание — участок от изоляторов на наружной стене здания до вводного устройства внутри здания. Если расстояние от опоры ВЛ до здания больше 10 м, то для ослабления натяжения проводов необходимо устанавливать подставную опору.
Ответвление от воздушной линии до ввода в строения длиной до 25 м, а также внутридворовые сети следует выполнять изолированными проводами или кабелем, проложенным на тросу или в земле. Сечение проводов в ответвлении должно быть не менее 6 мм^2 (при длине до 10 м не менее 4 мм^2) для меди и не менее 16 мм^2 для алюминия. Сечение жил кабеля — не менее 4 мм^2 для алюминия и 2, 5 мм^2 для меди. Расстояние от проводов ответвления до земли должно быть не менее 6 м, в проезжей части и внутри дворов не менее 3, 5м, а
Рис. 37. Схема ответвлений от воздушной линии 0, 38 кВ и вводов в здания: 1 — ввод; 2 — ответвление; 3 — трубостойка; 4 — опора; 5 — дорога; 6 — дополнительная (подставная) опора; 7 — тротуар
расстояние от земли до изолятора ввода в здание — не менее 2, 75 м (рис. 37).
Ответвления от ВЛ выполняют также кабельными линиями. В этом случае кабель прокладывают по опоре до перехода его в траншею. От случайных механических повреждений кабель защищают трубой или другой конструкцией на высоту до 2 м.
Провода наружной электропроводки располагаются или ограждаются таким образом, чтобы они были недоступны для прикосновения. Провода, проложенные открыто горизонтально по стенам, должны находиться на расстоянии не менее: над балконом, крыльцом - 2, 5 м; над окном - 0,5 м;
под балконом - 1,0 м; под окном (от подоконника) - 1, 0 м; при вертикальной прокладке - до окна - 0, 75 м, а до балкона - 1, 0 м.
При подвеске проводов на опорах около зданий расстояние от проводов до балконов и окон должно быть не менее 1, 5 м.
Вводы через стены зданий получили широкое применение, они просты в исполнении, всегда находятся в поле видимости, удобны при обслуживании. При вводе в здание изоляторы устанавливают на крюках (рис.38,б). Расстояние между проводами у вводов, а также расстояние от проводов до выступающих частей зданий должно быть не меньше 200 мм.
Концевые крепления алюминиевых многопроволочных проводов марок А-25... А-50 выполняют плашечными зажимами типа ПАБ с оставлением конца провода длиной не менее 200 мм для подключения ввода (рис. 38, в). Допускается концевое
крепление проводов выполнять бандажной вязкой с соблюдением размеров и числа витков, указанных на рис. 38, г. Недопустимо присоединение провода ввода непосредственно к натянутому проводу
Рис. 38. Монтаж элементов ввода: а - конструкция прохода через стену; б — установка крюков и изоляторов; в — крепление провода к изолятору зажимом; г — крепление провода к изолятору вязкой; 1 — цементный раствор; 2 — проволока; 3 — крюк; 4 — изолятор; 5 — вязка; 6 — провод для присоединения ввода; 7 — зажим ОАС; 8 — провод ввода; 9 — зажим ПАБ; 10 — втулка;11 - трубка; 12 - цементно-алебастровый раствор; 13 - воронка
ответвления, так как это способствует обрыву проводов ответвления.
Вводы в здания выполняют только изолированными проводами. Каждый провод заключают в отдельную резиновую изоляционную трубку, как показано на рис. 38, а. На концы трубок с наружной стороны здания устанавливают фарфоровые воронки таким образом, чтобы они находились на одной оси и были разнесены одна от другой в кирпичных стенах на 50 мм, в деревянных стенах на 100 мм. Внутри здания на трубки надевают втулки. Отверстия в стене заделывают алебастровым или цементным раствором. Проходы через стены в трубках должны выполняться с уклоном наружу, таким образом, чтобы вода не могла скапливаться в проходе или попадать внутрь здания. После прокладки проводов входные отверстия воронок и втулок заливают изоляционной массой, битумом.
Ввод в строение следует выполнять кабелем в негорючей оболочке сечением не менее 4 мм^2 для алюминия и 2, 5 мм^2 для меди или изолированными проводами тех же сечений.
Вводы через трубостойки выполняют в тех случаях, когда высота здания не позволяет обеспечить установленные ПУЭ вертикальные габаритные размеры. По способу закрепления и прохода внутрь здания трубостойки различают: ввод трубостойкой через стену; ввод трубостойкой через крышу.
Ввод трубостойкой через стену (рис. 39) более удобен. При монтаже трубостоек следят за тем, чтобы нижний горизонтальный конец трубы был установлен с уклоном 5° наружу, в нижней точке изгиба просверливают отверстие диаметром 5 мм для выхода влаги.
Ввод трубостойкой через крышу применяют в том случае, если расстояние от поверхности земли до низа трубостойки, устанавливаемой на стене, оказывается меньше 2 м. Особое внимание
. Рис. 39. Ввод трубостойкой через стену: 1 - крыша, 2 -оттяжка; 3 - изоляторы; 4 - трубостойка; 5 - болт зануления; 6 - кронштейн
уделяют качеству монтажа прохода через кровлю и его гидроизоляции.
Перед установкой в трубостойку затягивают стальную проволоку для последующего протягивания проводов. Верхний конец трубостойки двумя оттяжками из круглой стали диаметром 5 мм крепят к стене или к стропилам крыши.Все болтовые крепления вводов должны выполняться с применением пружинящих шайб, предохраняющих гайки от самооткручивания при раскачивании трубостоек и проводов ветром. Болтовые соединения смазывают защитной смазкой или техническим вазелином. Расстояние от самого нижнего проводника ввода через трубостойку до крыши должно быть не меньше 2, 5 м. Запрещается прокладывать голые или изолированные провода по крышам жилых домов.
Вводы в здания кабелем. От опоры до стены здания кабель прокладывают в траншее глубиной 0, 7 м. В фундаменте здания пробивают отверстие для ввода кабеля. Ввод выполняют в трубе. Диаметр труб выбирают из расчета 1, 5—2 диаметра кабеля, но не меньше 50 мм. Укладывают трубы с уклоном наружу в траншею и гидроизолируют так, чтобы исключить попадание воды в здание. Глубина заложения труб не менее 0, 5 м. С внутренней стороны здания труба должна выступать на 50 мм, а с наружной на 600 мм от фундамента.
В одной трубе прокладывают только один кабель. Если в здание вводится или выводится несколько кабелей, то число труб должно соответствовать их количеству. Кабели, прокладываемые вдоль здания, должны размещаться в траншее не ближе 0, 6 м от фундамента. У ввода в здание в траншее всегда оставляют запас кабеля (примерно 1 м) на случай повторной разделки концов, который укладывают полукругом с радиусом 1 м (запрещается запас укладывать кольцами). Глубина заложения не менее 500 мм с обязательным покрытием кирпичом или бетонными плитами. Места выхода кабеля из трубы уплотняют раствором цемента с песком, глиной или кабельной пряжей, смоченной маслом.
Kак изготовить трубостойку?
Для трубостоек используют водогазопроводные трубы, внутренний диаметр которых из условий механической прочности должен быть не менее 20 мм при вводе двух проводов и не менее 32 мм -четырех. Верхний конец трубостойки загибают на 180°, чтобы в нее не могла попасть влага. К трубе под изгибом приваривают траверсу с двумя штырями для установки вводных изоляторов. Для траверс к трубостойкам диаметром 20 мм используют стальной уголок длиною 500 мм сечением 45х45х5. На трубостойке приваривают болт для зануления (соединения нулевой жилы с металлической трубой), который для предохранения от коррозии смазывают техническим вазелином. Острые края трубы обрабатывают напильником, чтобы не повредить о них изоляцию проводов при затягивании. Ближе к изгибу приваривают кольцо (гайку), в котором закрепляют проволочную оттяжку, для компенсации усилия натяжения проводов ответвления от воздушной линии. Внутреннюю поверхность трубы окрашивают.
Рис. 37. Схема ответвлений от воздушной линии 0, 38 кВ и вводов в здания:
Рис. 38. Монтаж элементов ввода: а - конструкция прохода через стену; б — установка крюков и изоляторов
Рис. 38. Монтаж элементов ввода: в — крепление провода к изолятору зажимом; г — крепление провода к изолятору вязкой
Рис. 39. Ввод трубостойкой через стену
2. Какими приборами осуществляется учет электрической энергии?
Какими приборами осуществляется учет электрической энергии?
Учет израсходованной электрической энергии осуществляется счетчиком электрической энергии. В электроустановках промышленной частоты тока применяют счетчики индукционной системы.
Счетчики электрической энергии в зависимости от их конструкции, назначения и схемы включения изготавливают различных типов и маркируют буквами и цифрами, которые означают: С— счетчик; А—активной энергии; Р—реактивной энергии; О—однофазный; 3 и 4—для трехпроводной или четырехпроводной сети; У—универсальный;
И—индукционной измерительной системы; три следующие цифры характеризуют конструктивное исполнение счетчика. Буквы после них означают:
П—прямоточный (для включения без трансформаторов тока), Т— в тропическом исполнении, М— модернизированный. Например, СА4-И672М 380/220 В —счетчик активной энергии трехфазный, индукционной измерительной системы, модернизированный на линейное напряжение 380 В ток в сети 5А.
Учет электроэнергии однофазного тока производится с помощью однофазных счетчиков (рис. 40), а трехфазного тока — с помощью трехфазных счетчиков. В сетях 220 В, в которых предусматривается длительная работа в режиме неравномерных нагрузок фаз, следует применять трехэлементные четырехпроводные счетчики.
Класс точности счетчиков электроэнергии — 2. Счетчики должны быть непосредственного включения и иметь пломбу с клеймом госповерителя давностью на момент установки не более:
Рис. 40. Общий вид и подключение однофазного счетчика:
Ф — фазный провод; N — нулевой провод
трехфазные — 12 месяцев, однофазные — 2 лет. В жилых зданиях квартирного типа следует устанавливать один однофазный счетчик на каждую квартиру.
В жилых домах, принадлежащих гражданам на правах личной собственности, допускается установка трехфазных счетчиков по специальному разрешению энергоснабжающей организации, при этом на осветительную нагрузку устанавливается однофазный счетчик.
Подключение счетчиков в сеть производится в соответствии с принятой схемой (на внутренней стороне крышки зажимной коробки), соблюдая последовательность фаз.
Какие требования необходимо соблюдать при подключении счетчиков?
Приборы учета расхода электроэнергии устанавливаются на высоте 1, 4—1, 7 м от пола. Тип и количество устанавливаемых электросчетчиков в частных владениях граждан определяются проектом и зависят от вида тарифа на потребляемую энергию. Перед трехфазным счетчиком обязательно устанавливают отключающий аппарат (рубильник, автоматический или пакетный выключатель и т. п.). Приборы учета, отключающие аппараты и при необходимости другие устройства должны быть опломбированы. Приборы учета рекомендуется устанавливать в отапливаемом помещении, в противном случае предусматривается подогрев счетчика в зимнее время.
При монтаже электропроводки для присоединения счетчиков около счетчиков необходимо оставлять концы длиной не менее 120 мм. Оболочка нулевого провода на длине 100 мм перед счетчиком должна иметь отличную окраску или специальную метку. В электропроводке к счетчикам паек не допускается.
Сечения проводов и кабелей, присоединяемых к счетчикам, должны быть не менее 4 мм^2 для алюминия и 2, 5 мм^2 для меди.
Для безопасной установки и замены счетчиков должна предусматриваться возможность отключения счетчика установленными до него коммутационным аппаратом или предохранителями. Снятие напряжения должно предусматриваться со всех фаз, присоединяемых к счетчику.
При трехфазном вводе автоматические выключатели, магнитные пускатели, электросчетчики, а также другую защитную и пусковую аппаратуру рекомендуется помещать в шкафу. Шкаф должен быть металлический, жесткой конструкции, исключающий вибрацию и сотрясение аппаратуры, а также иметь уплотнения, исключающие попадание влаги.
Конструкции и размеры шкафов, ниш, щитков и т. п. должны обеспечивать удобный доступ к зажимам счетчиков и трансформаторов тока. Кроме того, должна быть обеспечена возможность удобной замены счетчика и установки его с уклоном не более 1°. Конструкция крепления должна обеспечивать возможность установки и съема счетчика с лицевой стороны.
Kак выполнить монтаж группового щитка?
Однофазные счетчики устанавливаются на металлических щитках. Квартирные щитки предназначены для распределения электрической энергии, защиты от перегрузок, токов короткого замыкания, а также для учета электроэнергии.
Квартирные щитки типа ЩК-9... ЩК-12 выпускают с резьбовыми предохранителями или автоматическими выключателями типа Пар (рис. 41, а). Квартирные щитки типа ЩК-13... ЩК-16 выпускают с автоматическими выключателями типа АЕ10 (рис. 41, 6). Щитки поставляются в продажу без счетчиков, которые приобретаются дополнительно.
Щиток монтируют после устройства ввода и выполнения внутренней электропроводки.
Сверху щитка имеются четыре заводские наметки, одну из которых открывают для ввода проводов комнатной электропроводки. Два одножильных провода с предварительно надетыми изоляционными трубками оконцовывают колечком и подключают к нижним зажимам предохранителей. Вторые концы их выводят на лицевую панель через второе и четвертое отверстия в щитке для подключения к счетчику. Провода ввода выводят через первое (фазный) и третье (нулевой) отверстия. В таком виде щиток устанавливается на опорном основании вертикально по отвесу так, чтобы закрывались вводные втулки, и крепится шурупами. Провода на щитке загибают вверх, обрезают на уровне горизонтальных шлицов для крепления счетчика и снимают с концов жил изоляцию на длине 20—25 мм. Отверткой ослабляют прижимы на зажимной колодке, вводят в них концы проводов и
Рис. 41. Общий вид и электрическая схема квартирных щитков:
а - ЩК-9... ЩК12; б - ЩК-13, ЩК-15; 1 - щиток; 2 - резьбовые предохранители; 3 - автоматические выключатели АЕ10;
4 — счетчик электрической энергии
снова прижимают. Счетчик крепят к щитку тремя винтами и закрывают крышкой зажимную колодку. Отрезают излишки проводов электропроводки, запитывающейся от щитка, надевают изоляционную трубку, зачищают концы жил, оконцовывают колечком, вводят в открытое отверстие в щитке и подключают к верхним зажимам предохранителей. На колодки предохранителей устанавливают защитные крышки, крепят их винтовыми пластмассовыми шайбами и ввинчивают пробки.
Рис. 40. Общий вид и подключение однофазного счетчика
Рис. 41. Общий вид и электрическая схема квартирных щитков
3. Какие применяют виды электропроводок и способы прокладки?
Какие применяют виды электропроводок и способы прокладки?
Электропроводка — совокупность проводов и кабелей с относящимися к ним креплениями, поддерживающими защитными конструкциями и деталями.
Виды электропроводок
1. Открытая электропроводка — проложенная по поверхности стен, потолков и другим строительным элементам зданий и сооружений.
При открытой электропроводке применяются следующие способы прокладки проводов и кабелей: непосредственно по поверхности стен, потолков и т. п., на струнах, тросах, роликах, изоляторах, в трубах, коробах, гибких металлических рукавах, на лотках, в электротехнических плинтусах и наличниках, свободной подвеской и т. п.
Открытая электропроводка может быть стационарной, передвижной и переносной.
2. Скрытая электропроводка — проложенная внутри конструктивных элементов зданий и сооружений ( в стенах, полах, фундаментах, перекрытиях, а также по перекрытиям в подготовке пола, непосредственно под съемным полом и т. п.).
При скрытой электропроводке применяются следующие способы прокладки проводов и кабелей: в трубах, гибких металлических рукавах, коробах, замкнутых каналах и пустотах строительных конструкций, в заштукатуриваемых бороздах, под штукатуркой, а также замоноличиванием в строительной конструкции при их изготовлении.
Наружная электропроводка — проложенная по наружным стенам зданий и сооружений, под навесом и т. п., а также между зданиями на опорах (не более четырех пролетов длиной до 25 м каждый) вне улиц, дорог и т.п.
Наружная электропроводка может быть открытой и скрытой.
Какие провода и кабели применяют при монтаже электропроводок и подключении электрооборудования?
Провод — одна неизолированная или одна и более изолированных жил, поверх которых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься неметаллическая оболочка, обмотка или оплетка волокнистыми материалами или проволокой.
Кабель — одна или более изолированных жил (проводников), заключенных, как правило, в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься соответствующий защитный покров, в который может входить броня.
Структура условного обозначения установочных проводов:
Шнур — две или более изолированных гибких или особо гибких жил сечением до 1, 5 мм2, скрученных или уложенных параллельно, поверх которых в зависимости от условий эксплуатации могут быть наложены неметаллическая оболочка и защитные покрытия.
Шнур предназначен для подключения электрических бытовых приборов к электрической сети.
Характеристики проводов и кабелей представлены в таблице 13.
Таблица 13. Провода и кабели, применяемые в электропроводках
|
Марка |
Сечение жил, мм2 |
Число жил |
Характеристика |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Провода |
|||
|
АПВ |
2,5-120 |
1 |
Провод с алюминиевой жилой и поливинилхлорйдной изоляцией |
|
АППВ |
2,5-6 |
2;3 |
Провод с алюминиевыми жилами, поливинилхлоридной изоляцией, плоский, с разделительным основанием |
|
АППР |
2,5-10 2,5 |
2; 4 3 |
Провод с алюминиевой жилой, не распространяющей горение резиновой изоляцией и разделительным основанием |
|
АПР |
2,5-120 |
1 |
Провод с алюминиевой жилой, резиновой изоляцией, в оплетке из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной противогнилостным составом |
|
АПРН |
2,5-120 |
1 |
Провод с алюминиевой жилой и резиновой изоляцией, в негорючей резиновой оболочке |
|
АМПВ |
1-10 |
1 |
Провод с алюминиевой жилой и поливинилхлоридной изоляцией |
|
АМППВ |
1,5-6 |
2;3 |
То же, но плоский с разделительным основанием |
|
ПВ-1 |
0,5-95 |
1 |
Провод с медной жилой и поливинилхлоридной изоляцией |
|
ПВ-2 |
2,5-95 |
1 |
То же, но гибкий |
|
ППВ |
0,75-4 |
2,3 |
Провод с медными жилами, поливинилхлоридной изоляцией, плоский, с разделительным основанием |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
ПР |
0,75-120 |
1 |
Провод с медной жилой, резиновой изоляцией, в оплетке из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной противогнилостным составом |
|
ПРГ |
0,75-120 |
1 |
Провод гибкий, с медной жилой, резиновой изоляцией, в оплетке из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной противогнилостным составом |
|
ПРГИ |
0,75-120 |
1 |
Провод с медной гибкой жилой и резиновой изоляцией, обладающей защитными свойствами |
|
ПРИ |
0,75-120 |
1 |
Провод с медной жилой и резиновой изоляцией, обладающей защитными свойствами |
|
Кабели |
|||
|
АВВГ |
2,5-50 |
1; 2; 3; 4 |
Кабель силовой, с алюминиевыми жилами, поливинилхлорйдной изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке |
|
АВРГ |
4-300 2,5-300 |
1 2;3;4 |
Кабель с алюминиевыми жилами, резиновой изоляцией, в поливинилхлорйдной оболочке (без покровов) |
|
АНРГ |
4-300 2,5-300 |
1 2; 3,4 |
Кабель с алюминиевыми жилами, резиновой изоляцией, в резиновой маслостойкой и негорючей оболочке (без покровов) |
|
АПВГ |
2,5-50 |
1;2;3; 4 |
Кабель силовой, с алюминиевыми жилами, полиэтиленовой изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке |
|
ВВГ |
1,5-50 2,5-50 |
1;2;3 4 |
Кабель силовой, с медными жилами, поливииилхлоридной изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке |
|
ВРГ |
1-240 |
1;2;3; 4 |
Кабель с медными жилами, резиновой изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке |
|
НРГ |
1-240 |
1;2;3; 4 |
Кабель с медными жилами, резиновой изоляцией, в резиновой маслостойкой и негорючей оболочке |
|
пвг |
1,5-50 |
1;2;3; 4 |
Кабель силовой, с медными жилами, полиэтиленовой изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке |
Kак определить сечение жил проводов и кабелей для питания
электрооборудования?
Сечение проводов и кабелей напряжением до 1000 В определяют исходя из двух условий:
1) по условию нагревания длительным расчетным током
Iдоп > Iр,
где Iдоп — длительно допустимый ток для принятого сечения провода или кабеля и условий его прокладки. Приводятся данные в ПУЭ или справочной литературе,
Ip — расчетный ток, А;
2) по условию соответствия сечения провода аппарату защиты
Iдоп > Кз • Iн.пл, где Кз - коэффициент защиты;
Iн.пл. — номинальный ток плавкой вставки, А.
Кз = 1,25 при защите проводников с резиновой и пластмассовой изоляцией во взрыво- и пожароопасных, торговых и т.п. помещениях плавкими предохранителями и автоматическими выключателями; при защите этих же проводников в невзрыво- и непожароопасных помещениях Кз = 1,0.
Осветительные проводки дополнительно рассчитывают на потерю напряжения.
Допустимые длительные токовые нагрузки на провода и кабели, а также выбор пусковой и защитной аппаратуры, проводов и кабелей для отдельно устанавливаемых электродвигателей находят по справочникам.
Kак выбрать марку провода или кабеля для электропроводки?
Способы выполнения электропроводок в различных условиях определяются ПУЭ, а рекомендуемые при этом марки проводов и кабелей — Руководством по выбору и применению проводов для силовых и осветительных сетей, а также Едиными техническими указаниями по выбору и применению электрических кабелей.
Таблица 14. Марки проводов и кабелей в зависимости от вида и способа прокладки электропроводок
Рекомендуемые марки проводов и кабелей для различных помещений в зависимости от вида электропроводок и способа их прокладки приведены в таблице 14.
Kак зависят вид и способ электропроводки от характера помещений?
В сухих отапливаемых помещениях (жилых комнатах, отапливаемых складах, подсобных помещениях, где относительная влажность не превышает 60%) разрешаются все виды проводок. В сухих неотапливаемых и влажных помещениях (к последним относятся помещения, где пары или конденсирующаяся влага выделяются лишь временно в небольших количествах и где относительная влажность больше 60%, но не превышает 75%: кухни в жилых помещениях, лестничные клетки, неотапливаемые склады и т. п.) запрещены, скрытые проводки в изоляционных трубках. В пыльных помещениях (выделяемая по технологическим условиям пыль может оседать на проводах, проникать внутрь машин и аппаратов) разрешена открытая проводка изолированными проводами в изоляционных трубках с тонкой металлической оболочкой, открытая и скрытая проводки изолированными проводами в стальных трубах, кабелем.
К сырым относятся помещения, где относительная влажность длительно превышает 75%: овощехранилища, туалеты. К особо сырым относятся помещения с относительной влажностью воздуха до 100%, когда потолок, стены, полы и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой. Особо сырыми являются теплицы, парники, наружные установки под навесом, в сараях, в неотапливаемых временных помещениях. Здесь возможна открытая или скрытая проводка изолированными защищенными или незащищенными проводами в трубах, кабелем.
Есть много помещений особо сырых с химически активной средой: помещения, где содержатся животные. В таких помещениях выполняют открытые или скрытые проводки изолированными защищенными или незащищенными проводами в трубах или кабелем.
В пожароопасных помещениях выполняют открытые проводки изолированными проводами на изоляторах или в трубах, скрытые - изолированными проводками в стальных трубах, кабелем.
К взрывоопасным относятся хранилища нефтепродуктов. Здесь все проводки (открытые и скрытые) монтируют изолированными проводами в стальных трубах; разрешена открытая прокладка небронированных кабелей с резиновой изоляцией в свинцовой или поливинилхлоридной оболочке для осветительных сетей при напряжении не более 250 В по отношению к земле при отсутствии механических и химических воздействий.
Kак выполнить монтаж внутренней электропроводки плоскими проводами?
Скрытые электропроводки плоскими проводами выполняют: по несгораемым основаниям, подлежащим затирке или покрываемым мокрой штукатуркой (соответственно в заштукатуриваемой борозде или под штукатуркой), по сгораемым основаниям, покрываемым мокрой штукатуркой, стенам и перегородкам (под слоем штукатурки с подкладкой под провод слоя листового асбеста толщиной не менее 3 мм или по намету штукатурки толщиной не менее 5мм; асбест или намет штукатурки укладывают поверх дранки, которая может быть вырезана по ширине асбестовой прокладки и выступать не менее чем на 10 мм с каждой стороны провода); в каналах и пустотах строительных конструкций; закладкой в несгораемые строительные конструкции при изготовлении их на заводах строительной индустрии. Запрещается прокладка и монтаж плоских проводов при температуре ниже -15°С.
Горизонтальную прокладку проводов по стенам осуществляют, как правило, параллельно линиям пересечения стен с потолком на расстоянии 100—200 мм от потолка или 50—100 мм от карниза или балки. Магистрали штепсельных розеток рекомендуется прокладывать по горизонтальной линии. Спуск и подъем проводов к светильникам, выключателям и штепсельным розеткам выполняют по вертикальным линиям. По перекрытиям плоские провода прокладывают по кратчайшим расстояниям между ответвительными коробками и
светильниками, в местах, где исключена возможность их механического повреждения, или в каналах плит. Запрещается прокладка плоских проводов пакетами или пучками. Пересечения плоских проводов между собой следует избегать. При необходимости пересечения изоляцию проводов в этом месте усиливают тремя-четырьмя слоями прорезиненной или поливинилхлоридной липкой ленты или изоляционной трубкой. Расстояние от открыто проложенных внутри зданий проводов и кабелей, а также от соединительных коробок скрытых проводок до стальных трубопроводов при параллельной прокладке должно быть не менее 100 мм, а при пересечении не менее 50 мм. Расстояние до трубопроводов с горючими жидкостями и газами соответственно не менее 400 и 100 мм.
При повороте трассы проводки на угол 90° в плоскости стены и потолка плоские провода изгибают по плоской стороне на угол 90° без разрезания разделительной пленки (при этом жилы не должны плотно прилегать друг к другу) или разрезают посредине разделительную пленку вдоль провода и одну жилу отводят внутрь угла в виде полупетли.
При скрытой прокладке в бороздах или пазах плоские провода в отдельных местах «примораживают» алебастровым раствором или прикрепляют скобками, хомутиками из пластмассы, резины, хлопчатобумажной ленты. Запрещается при любом способе скрытой прокладки крепление плоских проводов непосредственно гвоздями.
Соединение и ответвление плоских проводов выполняют сваркой, опрессовкой, пайкой или зажимами в ответвительных коробках.
При скрытой прокладке допускается выполнять ответвление плоских проводов во вводных коробках выключателей, штепсельных розеток и светильников.
В несгораемьк стенах и перекрытиях сухих и влажных помещений в качестве ответвительных коробок могут использоваться гнезда (ниши) с гладкими стенками, закрытые крышками.
Присоединения и ответвления плоских проводов, прокладываемых скрыто, выполняют с запасом провода длиной не менее 50 мм.
В металлических коробках и местах ввода плоских проводов устанавливают втулки из изолирующего материала или на провод дополнительно накладывают три-четыре слоя изоляции из прорезиненной или липкой поливинилхлоридной ленты.
На проводах, подключаемых к зажимам выключателей, штепсельных розеток, настенных патронов, разделительную пленку удаляют лишь на участке, необходимом для присоединения.
Технологический процесс монтажа внутренней проводки условно делят на две стадии: подготовительную и основную. Во время подготовительной стадии выполняют разметочные и заготовочные работы, во время основной прокладывают провода и выполняют необходимые соединения.
Разметочные работы выполняют непосредственно на объекте монтажа. Они позволяют уточнить трассы проводок и проходов последних через стены и междуэтажные перекрытия, трассы заземлений, места пересечения линий проводки между собой и с трубопроводами различного назначения, места крепления светильников, выключателей, штепсельных розеток, проводов или труб, в которых прокладывают провода, а также места установки коробок. Заготовочные работы заключаются в пробивке сквозных и гнездовых отверстий, в подготовке борозд для обхода препятствий, в установке закладочных частей, крепежных и изолирующих опор и деталей, в прокладке труб и трубок для проводов.
Прокладка проводов предусматривает: правку проводов путем протягивания провода через сухую тряпку, зажатую в руке; заготовку концов проводов и протягивание их в коробки; прокладку проводов по стенам с «примораживанием» их алебастровым раствором.
Прозвонку выполняют после затвердевания алебастрового раствора в местах крепления проводов и коробок.
Как выполнить монтаж проводок в трубах?
Электропроводки в трубах выполняют с целью их защиты от механических повреждений или от воздействия окружающей среды (например, сырость, взрывоопасные смеси, химически активные газы).
Для электропроводок применяют: стальные обыкновенные водогазопроводные трубы; полиэтиленовые и полипропиленовые трубы; винипластовые трубы; металлические гибкие провода.
Работы по монтажу электропроводок в трубах выполняют в две стадии. Сначала отмечают расположение концов труб, подходящих к щитам, электроприемникам, аппаратам управления. Затем размечают трассы электропроводок, места установки коробок, углы поворотов, точки крепления.
Стальные трубы сначала осматривают, отбраковывают мятые, выправляют гнутые; очищают от грязи, ржавчины металлической щеткой; окрашивают внутри и снаружи. Затем трубы размечают и режут ножовкой; нарезают резьбу; снимают заусенцы напильником. Диаметр труб для конкретной электропроводки зависит от количества прокладываемых проводов (кабелей) и их диаметра.
Пластмассовые трубы изгибают только в горячем состоянии при температуре 100—130°С. Неметаллические трубы используют для электропроводок только в помещениях, в которых максимальная температура окружающей среды не превышает 60°С.
Электропроводки в трубах должны монтироваться с учетом условий окружающей среды. Трубы укладывают с уклоном (не нормируется), чтобы не собиралась конденсирующая влага. Соединение труб во взрывоопасных и пожароопасных зонах, в наружных установках, во влажных, сырых и особо сырых помещениях, а также при скрытой прокладке выполняют только на резьбе с паклей и суриком.
Все металлические элементы должны быть защищены от коррозии. Металлические части электропроводок в трубах зануляют или заземляют.
Зануление и заземление электропроводок выполняют гибкой медной перемычкой от трубы к корпусу или через трубу заземляющими гайками.
Перед затягиванием проводов трубопроводы проверяют и продувают воздухом. В трубы затягивают стальную проволоку диаметром 1, 5-3, 5 мм с петлей на конце. Провода выравнивают, протягивая их через зажатую сухую тряпку, присоединяют к проволоке и затягивают два человека в рукавицах — один тянет проволоку, другой с противоположной стороны подает провода в трубу.
В коробках и у концов труб оставляют запас провода для присоединения. Соединение проводов делают только в коробках (в трубах соединять запрещено) и тщательно изолируют. Затем испытывают сопротивление изоляции проводов между собой и между каждым проводом и землей (трубой), норма не менее 0, 5МОм.
Kак выполнить монтаж троссовых проводок(на струнах)?
Тросовыми называют электропроводки, у которых провода или кабели укреплены на натянутом несущем стальном тросе.
Тросовые электропроводки применяют в хозяйственных постройках и в наружных установках как для осветительных, так и для силовых сетей.
Проводки с креплением проводов и кабелей непосредственно к натянутому тросу или проволоке выполняют незащищенными проводами марок АПВ, АПРВ, ПВ и другими, а также кабелями -АВРГ, АВВГ, ВРГ и др.
В качестве несущего троса рекомендуют использовать многопроволочные оцинкованные тросы диаметром 3—6, 5 мм. Трос крепят к строительным основаниям с помощью крюков и натягивают с помощью натяжной муфты.
Крепление проводов и кабелей к тросу выполняют стальными полосками с пряжками или пластмассовыми перфорированными лентами. Расстояние между креплениями не более 500 мм.
Ответвительные коробки для присоединения светильников к проводам и кабелям крепят при помощи скоб непосредственно к тросу. Для ответвления от тросовых проводов устанавливают специальные тросовые коробки типа У-245. Ответвление проводов в коробке выполняют только ответвительными сжимами без разрезания провода. Светильники подвешивают к коробкам на подвесах. Подвешивать светильники на проводах не допускается.
Несущий трос зануляют в двух точках на концах
линий — соединением троса и нулевого провода гибкой перемычкой.
По завершении монтажа до установки ламп в светильники измеряют сопротивление изоляции электропроводки (норма 0, 5 МОм).
Разновидность тросовых проводок — струнные электропроводки. Струну изготавливают из стальной проволоки диаметром 2—4 мм. Ее закрепляют вплотную к строительным основаниям, например, привариванием к закладным деталям или пристреливанием. Струнные проводки применяют для монтажа проводов по железобетонным стенам, балкам и другим конструкциям, где крепление проводок другими способами затруднено.
Kак выполнить электропроводку в чердачных помещениях ?
Обособленную группу представляют электропроводки в чердачных помещениях, к которым относят непроизводственные помещения между верхним этажом здания или потолком и крышей здания, имеющие несущие конструкции из сгораемых материалов (например, кровлю, фермы, стропила, балки и т. п.). Если в таких помещениях несущие конструкции изготовлены из несгораемых материалов, их не рассматривают как чердачные.
Чердачные помещения в большинстве случаев малодоступны для осмотра и обладают повышенной пожарной опасностью. Поэтому чердачные электропроводки имеют свои особенности.
В чердачных помещениях применяют как открытые, так и скрытые электропроводки. Открытые электропроводки, выполненные проводами и кабелями с медными жилами, прокладывают в трубах на любой высоте, а выполненные проводами и кабелями с алюминиевыми жилами - в стальных трубах или несгораемых стенах и перекрытиях, а также в производственных зданиях сельскохозяйственного назначения со сгораемыми перекрытиями. Стальные трубы соединяют друг с другом ответвительными коробками и аппаратами на резьбе, что препятствует проникновению пыли внутрь электропроводки. Защищенные провода и кабели в оболочках прокладывают по несгораемым или трудносгораемым стенам и перекрытиям на любой высоте, незащищенные изолированные одножильные провода — на изоляторах на высоте не менее 2, 5 м (при прокладке на высоте до 2, 5 м провода защищают от прикосновения к ним и механических повреждений).
Скрытые электропроводки прокладывают в стенах и перекрытиях из несгораемых материалов на любой высоте. Выключатели, переключатели и другие коммутационные аппараты в цепях токоприемников устанавливают за пределами чердачных помещений. При монтаже открытых электропроводок незащищенные одножильные провода прокладывают на роликах в сухих и влажных помещениях, а на изоляторах и роликах больших размеров (для сырых мест) — в помещениях всех видов и наружных установках. При этом на роликах для сырых мест допускается применять электропроводки под навесами или в других аналогичных условиях, исключающих попадание на них дождя или снега.
Кабели в неметаллической и металлической оболочках прокладывают непосредственно на поверхности стен, потолков и на струнах, полосах и других незащищенных конструкциях в наружных установках, незащищенные и защищенные одно- и многожильные провода и кабели в неметаллической и металлической оболочках — непосредственно на поверхности стен, потолков и на струнах, полосах и других несущих конструкциях в помещениях всех видов.
Специальные провода с несущим тросом, незащищенные и защищенные одно- и многожильные провода и кабели в металлической и неметаллической оболочках прокладывают на тросах в помещениях всех видов. Для прокладки в наружных установках используют только специальные провода с несущим тросом или кабели. Скрытые электропроводки, как правило, должны быть сменяемыми. Незащищенные провода допускается замоноличивать в строительные конструкции при их изготовлении (или непосредственно на монтаже) для сухих, влажных и сырых помещений. Незащищенные и защищенные одно- и многожильные провода, а также кабели в неметаллической оболочке прокладывают в неметаллических трубах из сгораемых материалов, например из несамозатухающего полиэтилена (исключение составляют изоляционные трубы с металлической оболочкой, стальные трубы и глухие короба с толщиной стенок 2 мм и меньше в сырых, особо сырых помещениях и наружных установках), в замкнутых каналах строительных конструкций, под штукатуркой и помещениях всех видов и наружных установках. Открытыми и скрытыми электропроводками могут быть незащищенные и защищенные одно- и многожильные провода, кабели в неметаллической оболочке, прокладываемые в металлических гибких рукавах, стальных трубах и глухих стальных коробах, неметаллических трубах и глухих коробах из трудносгораемых материалов, а также в изоляционных трубах.
Структура условного обозначения установочных проводов
Таблица 14. Марки проводов и кабелей в зависимости от вида и способа прокладки электропроводок (окончание)
Таблица 14. Марки проводов и кабелей в зависимости от вида и способа прокладки электропроводок (продолжение)
Таблица 14. Марки проводов и кабелей в зависимости от вида и способа прокладки электропроводок
4. Какие электрические аппараты применяют для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания и перегрузки?
Какие электрические аппараты применяют для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания и перегрузки?
Предохранитель — это простейший аппарат, защищающий электрическую сеть от коротких замыканий и значительных перегрузок. Предохранитель состоит из двух основных частей: фарфорового основания с металлической резьбой и смежной плавкой вставки (рис. 42, а) Плавкая вставка рассчитана на номинальные токи 10, 16, 20 А.
Вместо предохранителей могут применяться автоматические выключатели (автоматы). Включают автоматы вручную, а отключать можно вручную и автоматически, в результате срабатывания вмонтированных в корпус расцепителей.
Автоматы с тепловыми расцепителями предназначены для защиты от перегрузок. В качестве теплового расцепителя служит биметаллическая пластинка. При прохождении по ней тока перегрузки она изгибается и приводит в действие расцепляющий механизм, отключающий автомат.
Электромагнитный расцепитель состоит из катушки, сердечника и пружины. Автоматы с электромагнитным расцепителем служат для защиты от коротких замыканий. Ток короткого замыкания, проходя по катушке, содействует втягиванию внутрь ее сердечника, который сжимает пружину и приводит в действие расцепляющее устройство. Автоматы могут иметь тепловой или электромагнитный расцепитель или одновременно тот и другой, т. е. комбинированный. В осветительных сетях вместо предохранителей могут применяться резьбовые автоматические выключатели типа Пар 6, ЗА; 10А и 16А; 250 В (рис.42,б) и автоматические выключатели АЕ10 на 16А; 25А; 250В (рис. 42, в).
Рис. 42. Устройства защиты от токов короткого замыкания и перегрузок: а — предохранитель; б — резьбовой автоматический выключатель Пар; в — автоматический выключатель АЕ10; г — автоматический выключатель АП50Б; 1 — дугогасительная камера; 2 — электромагнитный расцепитель; 3—главные контакты; 4 и 5 — кнопки ручного включения и отключения; 6 — пластмассовое основание
Для защиты трехфазных электрических сетей применяют трехфазные автоматические выключатели серий АЕ20, АП50Б и др. Предпочтительным является применение автоматических выключателей серии АП50Б (рис. 42, г), так как контакты для подключения жил проводов или кабелей закрыты крышкой, что повышает электробезопасность при их обслуживании. Автоматические выключатели АП50Б выпускаются с номинальными токами на 6, 3; 10; 16; 25 и 40 А.
Для нормальной работы защитных аппаратов необходимо определить рабочий ток, по которому производится выбор плавкой вставки предохранителя и выбор выключателя. Для этого необходимо определить мощность потребителей, которые будет защищать этот аппарат. Принято считать, что при однофазной нагрузке на 1 кВт мощности приходится ток, равный 5 А; при трехфазной — на 1 кВт — 3 А. Зная нагрузку, определяют номинальный ток плавкой вставки или автоматического выключателя.
Например, необходимо выбрать защиту для электропроводки в доме и для трехфазного электродвигателя мощностью 3 кВт. Определяем суммарную нагрузку в доме сложением, получаем 2, 2 кВт (2200 Вт). 2, 2 • 5 = 11 А. Номинальный ток плавкой вставки предохранителя или автомата должен быть больше тока рабочего. Выбираем плавкую вставку на 16 А или автомат АЕ с номинальным током на 16 А.
Для электродвигателя: 3 • 3 == 9 А. Выбираем автомат АП50Б на 10 А.
Более точный выбор пускозащитной аппаратуры изложен ниже.
Kак выбрать плавкую вставку предохранителя?
Токи плавких вставок для проводов осветительной сети выбирают по номинальному току
Iл.вст>I ном
При выборе плавких вставок для защиты асинхронных электродвигателей необходимо учитывать, что пусковой ток двигателя в 5—7 раз больше номинального. Поэтому выбирать плавкую вставку по номинальному току нельзя, так как она при пуске электродвигателя перегорит.
Для асинхронных электродвигателей с коротко-замкнутым ротором при небольшой частоте включения и легких условиях пуска (tпуск=5—10с) номинальный ток плавкой вставки можно определить по выражению
Iпл.вст>0,4 Iпуск,
где I — пусковой ток электродвигателя, А.
При тяжелых условиях работы (частые пуски, продолжительность разбега до 40 с)
Iпл.вст > (0,5 - 0,6) Iпуск
Как выбрать автоматический выключатель?
Автоматические воздушные выключатели применяют для защиты участков сети от коротких замыканий, перегрузок или снижений напряжения. Их используют также для нечастых оперативных включений и отключений асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. Конструкции автоматических выключателей различаются расцепителями — встроенными устройствами в виде защитных реле для дистанционного отключения. Различают расцепители максимального тока (электромагнитные или тепловые), минимального напряжения (нулевые) и независимые. Электромагнитные расцепители срабатывают практически мгновенно (за 0,02 с), тепловые отключают цепь в зависимости от длительности и силы тока, превышающего уставку теплового расцепителя. При наличии комбинированного расцепителя (то есть электромагнитного и теплового) выключатель мгновенно срабатывает при сверхтоках и с выдержкой времени от перегрузок, определяемой тепловым расцепителем. При снижениях напряжения до 70—30% номинального срабатывает расцепитель минимального, напряжения.
Условия выбора автоматических воздушных выключателей сводятся к следующему:
1) номинальное напряжение выключателя должно соответствовать напряжению сети, то есть
Uн.авт>Uc;
2) номинальный ток автомата должен быть равен рабочему или превышать его: Iн.авт>Ip ;
3) номинальный ток расцепителя автомата
должен быть равен рабочему току (например, электродвигателя) или превышать его: Iн. расц> Ip;
4) правильность срабатывания электромагнитного расцепителя автомата проверяют из условия
Iсраб.расц>1.25Imax
Если применен автомат только с тепловым расцепителем, то по условиям надежной защиты от коротких замыканий необходимо последовательно с ним устанавливать также плавкие предохранители.
Для чего предназначен магнитный пускатель ?
Магнитные пускатели (рис.43) предназначены для дистанционного управления электродвигателями и другими электроустановками. Они обеспечивают нулевую защиту, т.е. при исчезновении напряжения или при его снижении до 50 — 60% от номинального катушка не удерживает магнитную систему контактора и силовые контакты размыкаются. При восстановлении напряжения токоприемник остается отключенным. Это исключает возможность аварий, связанных с самопроизвольным пуском электродвигателя или другой электроустановки. Пускатели с тепловыми реле осуществляют также защиту электроустановки от длительных перегрузок.
Наибольшее распространение получили магнитные пускатели серий ПМЕ, ПМЛ и ПМА.
Изготовляются эти серии в открытом, защищенном, пылеводозащищенном и пылебрызгонепроницаемом исполнении на напряжение 220 и 380 В. Они могут быть реверсивными и нереверсивными. Реверсивные пускатели наряду с пуском, остановом и защитой электродвигателя изменяют направление его вращения.
В магнитные пускатели встраиваются тепловые реле ТРН (двухполюсные) и ТРЛ, РТИ (трехполюсные). Они срабатывают под влиянием протекающего по ним тока перегрузки электродвигателя и отключают его от сети.
Маркировка магнитных пускателей расшифровывается следующим образом: первая цифра после сочетания букв, указывающих на тип пускателя, обозначает величину, которая соответствует определенному значению тока (0 — 6, 3 А; 1 — 10 А;
2 - 25 А; 3 - 40 А; 4 - 63 А; 5 - 80 А; 6 - 125 А);
вторая — исполнение по роду защиты от окружающей среды (1 — открытое исполнение; 2 — защищенное; 3 —пылезащищенное; 4 — пылебрызгонепроницаемое), третья — исполнение (1 — нереверсивный без тепловой защиты; 2 — нереверсивный с тепловой защитой; 3 — реверсивный без тепловой защиты, 4 — реверсивный с тепловой защитой).
Для чего применяется тепловое реле и как его выбрать?
Тепловое реле (рис.43) применяют для защиты электродвигателя от перегрузок.
Тепловое реле и номинальный ток теплового элемента, если нет особых требований к тепловой защите, выбирают с соблюдением следующих условий: максимальный ток продолжительного режима реле должен быть не менее номинального тока защищаемого двигателя; ток уставки реле должен быть равен номинальному току защищаемого двигателя или несколько больше (в пределах 5%); запас на регулировку тока уставки как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения должен быть наибольший. Для этого на шкале уставки оставляют одно-два свободных деления в обе стороны от положения регулятора, соответствующего выбранному току уставки.
Для чего и как выполняют зануление?
Зануление — основная мера защиты от поражения электрическим током в электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью источника питания в случае прикосновения к металлическим корпусам электрооборудования и металлическим конструкциям, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции сети или электроустановок.
Всякое замыкание токоведущих частей на зануленные части превращается таким образом в однофазное короткое замыкание, что приводит к отключению аварийного участка сети.
В качестве нулевых защитных проводников могут быть использованы нулевые рабочие проводники, специально предусмотренные проводники (четвертая или третья жила кабеля или провод сети, стальные полосы и т.п.), стальные трубы электропроводки, алюминиевые оболочки кабелей, металлические конструкции зданий, металлические кожухи шинопроводов, все трубопроводы, проложенные открыто, кроме трубопроводов для горючих и взрывоопасных смесей, канализации, центрального отопления и бытового водопровода. По проводимости (сопротивлению) все перечисленные заземлители нулевых проводов должны удовлетворять требованиям ПУЭ. Устанавливать разъединяющие приспособления в цепях нулевых проводников запрещается, кроме тех случаев, когда одновременно отключаются и все токоведущие провода в установке.
Для зануления однофазных бытовых электроплит следует делать ответвление от нулевого рабочего проводника (шины) этажного щитка на вво
де, выполняемое отдельным проводом, площадь сечения у которого такая же, как у фазного. Этот провод должен подключаться к нулевому рабочему проводнику перед счетчиком до отключающего аппарата.
При зануден и и трехфазных электроплит не разрешается использовать нулевой рабочий проводник в качестве зануляющего рабочего проводника.
Для зануления светильников, вводы в которые выполняются защищенным проводом или незащищенными проводами в трубе (металлорукаве) или при скрытой проводке, делают ответвление от нулевого рабочего проводника внутри светильника. При вводе в светильник открытых незащищенных проводов для зануления корпуса светильника следует использовать гибкий провод (ответвление), присоединяемый с одной стороны к нулевому рабочему проводу на неподвижной опоре, а с другой — к заземляющему винту корпуса.
В наружных установках и во взрывоопасных помещениях для зануления нужно использовать свободную жилу кабеля или свободный провод воздушной сети, присоединяемые к нулевому рабочему проводнику в ответвительной коробке, а в помещениях В-1 — в ближайшем групповом щитке.
С целью выравнивания потенциала во всех помещениях и наружных установках, где выполнено зануление, все металлические конструкции трубопровода, корпуса оборудования и т.п. должны быть присоединены к сети зануления.
Kак выполняют заземление?
Заземляющее устройство состоит из заземлителя, заземляющих магистралей и заземляющих проводников. Различают два типа заземлителей: естественные и искусственные.
К естественным заземлителям относятся металлические конструкции зданий и сооружений, надежно соединенные с землей.
В качестве заземляющих проводников используют стальные трубы электропроводок, свинцовые и алюминиевые оболочки кабелей, металлические трубопроводы всех назначений, проложенные открыто. Запрещается использовать для этой цели трубопроводы для горючих и взрывчатых смесей, а также служащие для автопоения скота.
Использование голых алюминиевых проводников для прокладки в земле в качестве заземляющих проводников и заземлителей запрещается.
Все естественные заземлители для большей надежности соединяют с заземляющими магистралями электроустановки не менее чем двумя проводниками, присоединенными к заземлителю в разных местах. Соединение выполняют вблизи от ввода в здание при помощи сварки или хомутов (для труб), контактную поверхность которых облуживают. Трубы в местах накладки хомутов зачищают. Места и способы присоединения проводников выбирают с учетом возможных ремонтных работ трубопроводов. При разъединении трубопроводов должно быть обеспечено непрерывное действие заземляющего устройства.
Если естественные заземлители и заземляющие проводники отсутствуют или если они не обеспечивают необходимого нормированного сопротивления, тогда применяют искусственные заземлители.
В качестве искусственных заземлителей применяют: трубы, угловую сталь, металлические стержни и т. п., горизонтально проложенные стальные полосы, круглую сталь и т. п. В случае опасности усиленной коррозии применяют омедненные или оцинкованные заземлители. Заземлители и заземляющие проводники, проложенные в земле, не должны иметь окраски.
Монтаж наружного контура заземления начинают с разметки трассы и рытья траншей глубиной 0,6—0,8 м (ниже уровня промерзания грунта).
Искусственные заземлители в виде отрезков стальных труб, круглых стержней или уголков длиной 3—5 м забивают в грунт так, чтобы головка электрода оказалась на глубине 0,5 м от поверхности. Заглубленные электроды соединяют друг с другом стальной полосой с помощью сварки. Места сварки покрывают разогретым битумом для защиты от коррозии. От заземлителей отводят магистраль заземления из стальных шин. Уложенные в траншеи заземляющие проводники и заземлители засыпают землей, не содержащей камней, строительного мусора, и плотно утрамбовывают. Количество электродов заземляющего контура зависит в основном от удельного сопротивления почвы, длины и расположения электродов. Для получения сопротивления заземления до 10 Ом необходимо забить от 2 до 30 электродов.
Соединение заземляющих проводников друг с другом и присоединение к конструкциям выполняют сваркой, а подключение к корпусам аппаратов, машин, и т. п. — болтовыми соединениями. При наличии вибрации применяют контргайки, пружинящие шайбы или иные средства против ослабления соединения. Сварочные швы выполняют длиной, равной двойной ширине проводника при прямоугольном сечении или шести диаметрам при круглом сечении. Соединяемые контактные поверхности болтовых соединений зачищают до металлического блеска и покрывают тонким слоем вазелина.
Каждый заземленный элемент электроустановки присоединяют к заземляющей магистрали отдельным проводником. Последовательное соединение этих проводников запрещается.
Заземляющие проводники, расположенные в помещениях, должны быть доступны для осмотра. Для предохранения от коррозии стальные голые провода окрашивают черной масляной краской.
Как измерить сопротивление заземляющего контура?
Для измерения сопротивления заземляющего контура применяют специальный прибор М416.
Для грубых измерений сопротивления заземления зажимы 7 и 2 соединяют перемычкой и подключают прибор к измеряемому объекту по трехзажимной схеме (рис.44,а). При точных измерениях снимают перемычку с зажимов 1 и 2, подключают прибор к измеряемому объекту по четырехзажимной схеме. Эта схема позволяет исключить погрешность, которую вносят сопротивления соединительных проводов и контактов. Перед измерением регулируют прибор в такой последовательности. Ставят его горизонтально и переводят переключатель пределов измерения в положение «Контроль 5 Ом». Нажимают кнопку, вращением рукоятки прибора «Реохорд» устанавливают стрелку индикатора на нулевую отметку. На шкале реохорда должно быть показание 0,35—5 Ом при нормальных климатических условиях и номинальном напряжении источника питания. Прибор располагают около измеряемого заземления. Стержни, образующие вспомогательный заземлитель R5 и потенциальный электрод R3(«Зонд»), устанавливают на расстояниях, данных на рисунке.
Длина стержней в грунте должна составлять не менее 500 мм, обычно 1-1,5 м. Вспомогательный заземлитель и зонд выполняют в виде металлического стержня или трубы диаметром не менее 10 мм.
При испытании заземляющих устройств с сопротивлением растеканию не менее 10 Ом сопротивления вспомогательного заземлителя прини-
Рис.44. Измерение сопротивления заземления: а—с помощью измерителя заземлений типа М416; б—по методу амперметра и вольтметра; 1 — заземлитель, сопротивление которого неизвестно; 2 — заземлитель зонда; 3 — вспомогательный заземлитель; 4 — сварочный трансформатор; V — вольтметр на 5—10 В;
А — амперметр на 2,5 — 5 А
мают не более 250 Ом. Если сопротивление растеканию заземляющего устройства находится в пределах 100—1000 Ом, сопротивление вспомогательного электрода должно быть не более 500—1000 Ом. Сопротивление зонда рекомендуется для всех случаев измерений не более 1000 Ом. При грунтах с высоким удельным сопротивлением измерения будут приближенными.
Для повышения точности измерения уменьшают сопротивление вспомогательных заземлите-лей увлажнением вокруг них почвы и увеличением их количества.
Дополнительные стержни забивают на расстоянии не менее 2—3 м друг от друга. Все стержни, образующие контур зонда или вспомогательного заземлителя, соединяют между собой электрически. Измерение проводят по схеме, приведенной на рисунке.
Порядок измерения следующий. Переключатель прибора устанавливают в положение «х1» (умножить на один). Нажимают кнопку и, вращая ручку прибора «Реохорд», добиваются максимального приближения стрелки индикатора к нулю. Результат измерения отсчитывают по шкале реохорда. Если измеряемое сопротивление окажется больше 10 Ом, переключатель устанавливают в одно из положений х5, х20 или х100 и проделывают операции, указанные выше. Результат измерения находят как произведение показания шкалы реохорда на множитель.
При отсутствии специальных приборов сопротивление заземляющего контура можно измерить методом амперметра-вольтметра (рис.44,б). Для этого необходимо иметь источник переменного тока (электрически не связанный с сетью) и вольтметр на малые пределы измерения, но с большим внутренним сопротивлением.
Фактическое сопротивление заземления определяют по формуле
Rх=U/I;
где U — показания вольтметра. В;
I — показания амперметра, А.
Замеры сопротивления заземляющего контура производят в периоды наименьшей проводимости почвы: зимой при наибольшем промерзании, летом во время наибольшего просыхания ее.
Надежность заземления и его общее состояние проверяют при замерах не реже одного раза в год, а также после каждого капитального ремонта и длительного бездействия установки.
Внешний осмотр состояния заземляющих проводников (шин) производят не реже одного раза в шесть месяцев, а в сырых и особо сырых помещениях — не реже одного раза в три месяца.
Как выполнить молниезащиту здания?
Основными средствами защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии являются молниеотводы, которые принимают на себя разряды и отводят в землю.
Молниеотводы бывают тросовыми и стержневыми. Тросовые молниеотводы устанавливают главным образом на крышах зданий. Молние-приемником является трос, который соединяет две или несколько опор.
Стержневые чаще всего устанавливают у наружных стен зданий и только в отдельных случаях — на крышах. Удар молнии принимает стержневой молниеприемник, крепящийся на опоре.
Стержневой молниеотвод состоит из молниеприемника, который воспринимает удары молний, токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем, заземляющего устройства, служащего для отвода молнии в землю, и опоры. Для изготовления молниеприемников применяют стальные прутки диаметром 12 мм, полосы 35х3 мм, уголки 20х20х3 мм, газовые трубки диаметром 1/2 - 3/4 дюйма и др. Длину молниеприемников принимают от 300 до 1500 мм.
Токоотводы выполняют из стали диаметром не менее 6 мм и полосы сечением 35 мм^2. Обычно для токоотводов применяют стальную проволоку (катанку). Части токоотвода соединяют между собой при помощи сварки или болтами. Площадь контакта должна быть не менее двойной площади сечения токоотвода. Токоотвод прокладывают по крышам и стенам защищаемого здания, а также по деревянным конструкциям опор молниеотводов вплотную к их поверхности, за исключением зданий с легковоспламеняющейся кровлей.
Место установки молниеотвода выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить защиту не только зданий и сооружений, но и защиту людей от шагового напряжения. Шаговое напряжение возникает в момент отвода тока молнии в землю. Чтобы избежать поражения шаговым напряжением, заземлители размещают не ближе 4 м от наружных стен зданий, где нет проходов, скоплений людей и животных. Необходимо делать ограждения заземлителей всех видов на расстоянии 4 м (в радиусе). Помещения длиною до 14—15 м защищают от прямого удара молнии одним стержневым молниеотводом, установленным на крыше здания.
Для помещений длиною до 25 м грозозащиту выполняют стержневым молниеотводом, с установкой опоры по центру здания у наружной продольной стены.
Помещения сложной планировки и длиною более 25 м защищают двумя и более стержневыми молниеотводами с установкой опор у наружных стен. Высоту молниеотвода от уровня земли принимают равной 18—20 м.
Сопротивление заземления грозозащиты не должно превышать 10Ом.
При защите помещений двумя стержневыми молниеотводами расстояние от угла торцевой стены, в зависимости от ширины постройки, должно быть 2—6 м. Увеличение расстояния ведет к увеличению высоты молниеотвода и усложнению его конструкции.
Установка молниеотводов, если крыша металлическая, не требуется. В этом случае крышу по периметру через 20—25 м заземляют. Трубы, вентиляционные устройства и т. п., установленные на крыше, присоединяют к металлической кровле.
Как экономить электрическую энергию?
В электроосветительных установках борьбу за экономию энергии нельзя вести в ущерб высокому качеству освещения, которое создает комфортные условия и положительно влияет на производительность труда. Здесь, так же как и в других потребительских установках, следует следить за безусловным соблюдением действующих норм, внедрять прогрессивные источники света и рациональные типы осветительной арматуры, правильно выбирать лампы и светильники, поддерживать нормальный уровень напряжения в осветительной сети, обеспечивать хорошую эксплуатацию.
Замена ламп накаливания на люминесцентные и газоразрядные может дать большую экономию электроэнергии. Последние имеют более высокий энергетический КПД. Поэтому при переходе на люминесцентные или газоразрядные лампы можно при сокращенном расходе электроэнергии значительно повысить уровень освещенности рабочих мест.
В интересах экономии энергии нужно автоматизировать и программировать продолжительность искусственного освещения. Для этих целей применяют реле времени, фотоэлементы, фотореле и регуляторы напряжения.
Электроэнергию в осветительных установках можно экономить также за счет поддержания отражающих поверхностей в состоянии, соответствующем нормативным требованиям, используя новые химические препараты для мойки стекол, снижения уровня освещенности в нерабочих помещениях: тамбурах, коридорах, туалетах и т.п.
В жилом секторе осветительные приборы следует включать только в том случае, когда это действительно необходимо. За счет этого можно сэкономить до 15% энергии. По возможности лампы накаливания следует заменить на люминесцентные. Вместо нескольких ламп небольшой мощности желательно пользоваться одной мощной лампой.
В домах с централизованным теплоснабжением важно следить за тем, чтобы температура воздуха в жилых комнатах не превышала нормы. Нужно помнить, что повышение температуры на ГС в закрытом помещении связано с дополнительным расходом на отопление 3—5% электроэнергии.
На расход энергии в домах влияет состояние их теплоизоляции. Из-за неутепленных окон и дверей помещения зачастую теряют до 40% теплоты. Подсчитано, что через неутепленную балконную дверь уходит столько же тепла, сколько и сквозь дырку диаметром 20 см.
Рис. 42. Устройства защиты от токов короткого замыкания и перегрузок
Рис. 43. Обший вид магнитного пускателя с тепловым реле
Рис.44. Измерение сопротивления заземления
5. Позиционные обозначения (Буквенные коды) элементов и установка на электрических схемах
Позиционные обозначения (Буквенные коды) элементов и установка на электрических схемах
М — электродвигатель R - резистор С - конденсатор
GB — источник питания, генераторы, аккумуляторы рА — прибор измерительный, амперметр pV - прибор измерительный, вольтметр Wh - прибор измерительный, счетчик активной энергии Т, TV, ТА — трансформаторы, автотрансформаторы ТА - трансформатор тока TV - трансформатор напряжения LL - катушка индуктивности, дроссели LL — дроссель люминесцентного освещения QS - разъединитель, рубильник QF - выключатель автоматический EL - лампа осветительная ЕК - нагревательный элемент HL — прибор световой сигнализации KM - электромагнитный контактор, пускатель КК - реле электротепловое KV - реле напряжения SA - выключатель или переключатель SB - выключатель кнопочный SQ - выключатель путевой FU - предохранитель плавкий FV — разрядный элемент YB — тормоз с электромагнитным приводом XS — соединение разъемное, гнездо ХР — соединение разъемное, штырь XT — соединение разборное РТ - часы, измеритель времени действия PR - счетчик реактивной энергии RP — потенциометр PR — омметр SF— выключатель автоматический (в аппаратах, не имеющих контактов силовых цепей)
6. Условные графические обозначения электрического оборудования и проводок на планах
Условные графические обозначения электрического оборудования и проводок на планах
Условные графические обозначения электрического оборудования и проводок на планах
4. Литература
Литература
1. Правила устройства электроустановок. — 6-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1986 - 648 с.
2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. — 4-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1986 - 424 с.
3. СНиП 3.05.06-85. Электротехнические устройства. — М.: Госстрой СССР, 1988 - 56 с.
4. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок /Под ред. И.Ф.Кудрявцева. - М.: Агропромиздат, 1988 - 480 с.
5. Практикум по технологии монтажа и ремонта электрооборудования /Под ред. А-А.Пястолова. - М.: Агропромиздат, 1990 - 162 с.
6. Электротермическое оборудование сельскохозяйственного производства /Под ред. Л.С.Герасимовича. -Мн.: Ураджай, 1995 - 416 с.
7. Соколов Б.А., Соколова И.Б. Монтаж электрических установок. — 3-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1991 - 592 с.
8. Шогенов А.Х. Монтаж электрооборудования на фермах. — М.: Агропромиздат, 1991 - 256 с.
9. Электротехника. - 2-е изд. /Под ред. И.А.Федоровой. — Мн.: Вышэйшая школа, 1977 — 392 с.
10.Корнилов Ю.В., Бредихин А.Н. Слесарь-электромонтажник. - М.: Высшая школа, 1988 - 256 с.
11.Шипуль П.Т. 100 советов электрику. — Мн.: Ураджай, 1976.
12.Марочкин В.К. и др. Малая энергетика сельскохозяйственньк предприятий. - Мн.: Ураджай, 1990.
2. Раздел 2.
Раздел 2.
1. Общие справочные сведения
1. Общие справочные сведения
1.1. Понятия и определения, условные обозначения
1.1. Понятия и определения, условные обозначения
Ниже приведены некоторые определения и сведения из принятых Правил устройства электроустановок (ПУЭ), которых придерживаются при проектировании и эксплуатации электроустановок.
Электроустановка представляет собой совокупность машин, аппаратов, линий их связи и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи и распределения электроэнергии.
Электроустановки по условиям безопасности разделяются на электроустановки напряжением до 1000 В и электроустановки напряжением более 1000 В. В настоящем справочнике даются сведения по электроустановкам напряжением 380/220 В, где 380 В — напряжение между каждыми двумя из трех токоведущих проводов трехфазной сети (между фазами), а 220 В — напряжение между каждыми из этих проводов и нулевым проводом, соединенным с нейтралью трансформатора, питающего сеть, с заземляющим устройством нейтрали и с повторным заземлением самого нулевого провода.
В электроустановке электрические машины могут производить или потреблять электроэнергию.
Электрические аппараты применяются для включения, отключения и защиты электроприемников или участков линий.
Электрические линии могут быть воздушными или кабельными.
Открытыми или наружными электроустановками называются установки, не защищенные зданием от внешних воздействий.
Закрытыми или внутренними называются установки, расположенные внутри здания.
В табл. 1. 1 приведены виды помещений в зависимости от условий среды.
Таблица 1. 1 ВИДЫ ПОМЕЩЕНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ СРЕДЫ
В соответствие с ПУЭ электроустановки классифицируются в зависимости от пожароопасности и взрывоопасности.
Пожароопасной зоной называется пространство внутри и вне помещения, в переделах которого постоянно или периодически образуются горючие вещества и в котором они могут находиться при нормальном технологическом процессе или при его нарушении.
Взрывоопасной зоной называется помещение или ограниченное пространство в помещении или наружной установке, в которых имеются или могут образовываться взрывчатые смеси газов или паров с воздухом, кислородом или другими окислителями, а также горючей пыли или волокон с воздухом при переходе их во взвешенное состояние.
Классы пожароопасных и взрывоопасных зон приведены в табл. 1.2.
В отношении поражения людей электрическим током различаются:
1. Помещения без повышенной опасности, в которых .отсутствуют условия повышенной опасности.
2. Помещения с повышенной опасностью, в которых существует одно из условий повышенной опасности:
1) сырость или токолроводящая пыль;
2) токопроводящие полы;
3) возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям, технологическим аппаратам и т. д., с одной стороны, и к корпусам электрооборудования, с другой;
4) высокая температура.
3. Особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий:
1) особая сырость;
2) химически активная или органическая среда;
3) одновременно два или более условий повышенной опасности.
Электрической сетью является совокупность электроустановок, обеспечивающих передачу и распределение электроэнергии (подстанции, распределительные устройства, воздушные и кабельные линии и т. д.)
Элементом называется часть электротехнического изделия, которая выполняет определенную функцию (резисторы, конденсаторы, транзисторы, коммутационные аппараты и т. д.).
Совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (плата, блок, шкаф и т. д.) называют устройством.
Каждый элемент электротехнического устройства характеризуется номинальным параметром, указываемым изготовите-
Таблица 1. 2 ПОЖАРООПАСНЫЕ И ВЗРЫВООПАСНЫЕ ЗОНЫ
лем и учитываемым при его использовании (напряжение, ток, мощность). Номинальные параметры указываются и для устройств.
Для каждого элемента и устройства государственными стандартами устанавливаются условные обозначения, некоторые из них приведены в прил. 1.
Таблица 1. 3 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Продолжение табл. 1. 3
Продолжение табл. 1. 3
Окончание табл. 1. 3
Таблица 1.4 ВЫРАЖЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ ДРУГИХ СИСТЕМ ЧЕРЕЗ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМЫ СИ
Таблица 1. 5 ПРИСТАВКИ И МНОЖИТЕЛИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕСЯТИЧНЫХ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ
Таблица 1. 5 ПРИСТАВКИ И МНОЖИТЕЛИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕСЯТИЧНЫХ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ
Таблица 1.1 ВИДЫ ПОМЕЩЕНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ СРЕДЫ
Таблица 1.2 ПОЖАРООПАСНЫЕ И ВЗРЫВООПАСНЫЕ ЗОНЫ
Таблица 1.3 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ (окончание)
Таблица 1.3 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ (продолжение)
Таблица 1.3 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ (продолжение)
Таблица 1.3 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Таблица 1.4 ВЫРАЖЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ ДРУГИХ СИСТЕМ ЧЕРЕЗ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМЫ СИ
1.2. Некоторые формулы электротехники
1.2. Некоторые формулы электротехники
Закон Ома для участка цепи постоянного тока
U=I*R,
где U— напряжение на участке цепи, В, I— сила тока на этом участке, А, R — сопротивление участка цепи, Ом. Сопротивление проводника
R=p*l/S
где р — удельное сопротивление. Ом • м, l — длина проводника, м, S — площадь поперечного сечения проводника, м^2
Формула зависимости сопротивления проводника от температуры
Rt=Rt0[1+a(t-t0)],
где Rt и Rt0 — сопротивления проводника соответственно при температурах t и t0. С, а — температурный коэффициент сопротивления Ом/°С.
Общее сопротивление цепи:
при последовательном соединении сопротивлений
R=R1+R2+R3+. .+Rn
при параллельном соединении
Общая емкость конденсаторов:
при последовательном соединении
при параллельном соединении
С = С1 +С2 +С3+...+Сn.
Мощность постоянного тока, Вт,
Р=U*I
Энергия электрической цепи, Дж, W =Pt.
где Р — мощность, Вт, t — время, с.
Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, Дж,
A=I^2Rt,
где I — сила тока. А, R — сопротивление проводника, Ом, t — время прохождения тока, с.
Закон Ома при переменном токе
U =IZ.
где Z — полное сопротивление, Ом.
где I — частота, Гц, w — число витков в катушке, В — индукция магнитного поля в стали магнитопровода, Т, S — площадь сечения магнитопровода, м^2. Подъемная сила электромагнита, Н,
F=3978*B^2*S*10^2;
где В — магнитная индукция. Т, S — площадь сечения электромагнита, м^2.
Частота вращения магнитного поля электрической машины, об/мин,
n=60f/p
где р — число пар полюсов машины.
Мощность однофазного переменного тока:
активная, Вт,
Р = U*Icosф, реактивная, вар,
Q = UI sinф, полная, В-А,
Внешний вид нанесения цветной маркировки
Таблица определения номиналов
Ф.1 Индуктивность катушки без сердечника
Ф.2 Закон электромагнитной индукции
Ф.3 Мощность однофазного переменного тока
Ф.4 Мощность трехфазного переменного тока
Цветовая индикация резисторов
1.3. Краткие сведения о надежности электротехнических устройств
1. 3. Краткие сведения о надежности электротехнических устройств
Надежность — свойство технического устройства или изделия выполнять свои функции в пределах допустимых отклонений в течение определенного промежутка времени.
Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции в пределах установленных требований.
Отказ — событие, при котором нарушается работоспособность изделия.
Неисправность — состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному требованию технической документации.
Наработка — продолжительность работы изделия в часах
или других единицах времени.
Наработка на отказ, или среднее время безотказной работы — среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами.
Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в данный промежуток времени не возникнет отказа изделия.
Интенсивность отказов — вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени.
Безотказность — свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки.
Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с перерывами на обслуживание и ремонт.
Ресурс — наработка изделия до предельного состояния, оговоренная в технической документации.
Срок службы — календарная продолжительность работы изделия до предельного состояния, оговоренная в технической документации.
Ремонтопригодность — доступность изделия для его обслуживания и ремонта.
Отказы электротехнического изделия могут означать не только электрические или механические повреждения, но и уход его параметров за допустимые пределы. В связи с этим отказы могут быть внезапными и постепенными.
Возникновения внезапных отказов в устройстве являются случайными событиями. Эти отказы могут быть независимыми, когда отказ одного элемента в устройстве происходит независимо от других элементов, и зависимыми, когда отказ одного элемента вызван отказом других. Разделение отказов на внезапные и постепенные является условным, так как внезапные отказы могут быть вызваны развитием постепенных отказов.
Количественной характеристикой для математического определения надежности является интенсивность отказов устройства в единицу времени, которая обычно измеряется числом отказов в час.
Величина, обратная интенсивности отказов, называется средней наработкой до первого отказа и измеряется в часах.
В течение срока службы технического устройства можно выделить три периода, интенсивность отказов в которых меняется по-разному.
В первый период, называемый периодом приработки, происходит выявление конструктивных, технологических, монтажных и других дефектов, поэтому интенсивность отказов может повышаться в начале периода, понижаясь при подходе к периоду нормальной работы.
Период нормальной работы характеризуется внезапными отказами постоянной интенсивности, которая увеличивается к периоду износа.
В период износа интенсивность отказов увеличивается с течением времени по мере износа изделия.
Очевидно, основным должен быть период нормальной работы, а другие периоды являются периодами входа и выхода из этого периода.
Надежность изделия закладывается на стадии проектирования. Если принятые при этом конструкторские решения соответствуют мировому уровню, то это будет способствовать большей надежности при работе изделия. Так же влияют технология производства и грамотность кадров на всех уровнях.
На надежности изделия сказываются условия транспортировки и хранения, монтаж, наладка и обкатка, соблюдение правил эксплуатации оборудования.
1.4. Обеспечение безопасного обслуживания персоналом машин и аппаратов и защиты их от влияния окружающей среды
1.4. Обеспечение безопасного обслуживания персоналом машин и аппаратов и защиты их от влияния окружающей среды
Имеются различные исполнения машин и аппаратов по степени защиты и среди них выбирают такие исполнения, которые были бы безопасны и надежно работали в данных условиях. Степень защиты указывается в технической документации и в паспорте, укрепляемом на машине или аппарате.
Классы электротехнических изделий по способу защиты человека представлены в табл. 1. 6.
Таблица 1. 6 КЛАССЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПО СПОСОБУ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Характеристики степеней защиты оболочек электрооборудования напряжением до 1000 В от поражения персонала и от влияния внешней среды приведены в табл. 1. 7.
Таблица 1.7 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
Окончание табл. 1. 7
Обозначения степеней защиты оболочек аппаратов показаны в табл. 1. 8.
Степени защиты электрических машин показаны в табл. 1. 9.
Условное обозначение степени защиты содержит следующие данные в указанной последовательности: a) IP — первые буквы английских слов International Protection, означающие защиту по международным нормам; б) первая цифра указывает степень защиты от соприкосновения и попадания посторонних тел; в) вторая цифра указывает степень защиты от проникновения воды.
Способ охлаждения электрической машины обозначается символом IС (первые буквы слов International Cooling, означающих охлаждение по международным нормам), и цифрами.
Таблица 1.8 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАПРЯЖЕНИЕМ,ДО 1000 В
Таблица 1.9 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
Электрические машины со степенями защиты IР54 и IР44 выпускаются со способом охлаждения 1С0141. Первые две цифры (01) определяют, что внешняя поверхность машины обдувается вентилятором, насажденным на вал машины и охлаждающим машину окружающим воздухом через ее оболочку.
Следующие две цифры (41) относятся к внутренней части машины и означают, что воздух внутри машины приводится в движение самим ротором или дополнительным внутренним вентилятором и тепло внутри машины передается окружающей среде через поверхность станины, которая может быть гладкой или с ребрами.
Способ охлаждения IС0041 отличается от предыдущего отсутствием внешнего вентилятора.
При способе охлаждения IС0151 обмен теплотой между воздухом внутри и вне машины происходит с помощью встроенного охладителя.
Способ охлаждения IС01 имеют машины в исполнении IP23.
Электрооборудование обычно предназначается для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м при температуре внешней среды не выше +40 С и не ниже —45 С.
Установлены следующие категории мест размещения электрооборудования при эксплуатации:
1 — на открытом воздухе, где они подвергаются воздействию всех природных факторов,
2 — помещения, в которых отсутствует прямое воздействие атмосферных осадков и солнечных лучей (навесы, палатки и т. д.),
3 — закрытые помещения с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, солнечного света, воздействие песка и пыли меньше, чем на открытом воздухе (неотапливаемые помещения).
4 — помещения с искусственно регулируемыми климатическими условиями (производственные помещения закрытые отапливаемые и вентилируемые).
5 — помещения с повышенной влажностью, в которых возможно длительное нахождение воды или конденсированной влаги, например, неотапливаемые и невентилируемые помещения под землей, в том числе шахты и подвалы.
Электрооборудование по условиям окружающей среды может иметь следующие исполнения:
для умеренного климата У1—У5,
для холодного и умеренного климата ХЛ1—ХЛ5,
УХЛ1-УХЛ5,
для тропического климата Т1—Т5.
Таблица 1. 6 КЛАССЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПО СПОСОБУ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Таблица 1.7 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В (окончание)
Таблица 1.7 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
Таблица 1.8 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАПРЯЖЕНИЕМ,ДО 1000 В
Таблица 1.9 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНЕЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
1.5. Электроустановки во взрывоопасных зонах
1.5. Электроустановки во взрывоопасных зонах
Электрооборудование таких электроустановок имеет степень защиты от взрыва окружающей взрывоопасной смеси газов и паров с воздухом в зависимости от категорий и групп этих смесей, которые показаны в табл. 1. 10 и 1. 11, где БЭМЗ — безопасный экспериментальный максимальный зазор между фланцами оболочки, через который не происходит передачи
взрыва из оболочки в окружающую среду при любой концентрации смеси в воздухе.
Температура самовоспламенения — самая низкая температура горючего вещества, при которой происходит увеличение скорости реакций, заканчивающихся пламенным горением.
Взрывозащищенное электрооборудование — электрооборудование, в котором предусмотрены конструктивные меры по устранению или затруднению возможного воспламенения окружающей взрывоопасной среды.
Уровни взрывозащиты электрооборудования.
Уровень 2 — электрооборудование повышенной надежности против взрыва — Взрывозащищенное электрооборудование, в котором защита от взрыва обеспечивается только в признанном нормальным режиме работы.
Уровень 1 — взрывобезопасное электрооборудование -— Взрывозащищенное электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается как при нормальном режиме работы, так и при признанных вероятными повреждениях, определенных условиями эксплуатации, кроме повреждений средств взрывозащиты.
Уровень 0 — особо взрыаобезопасное электрооборудование — электрооборудование, в котором по отношению к взрывобезопасному электрооборудованию приняты дополнительные средства взрывозащиты, предусмотренные стандартами.
Таблица 1.10 КАТЕГОРИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ПАРОВ С ВОЗДУХОМ
Группы взрывозащищенного электрооборудования по области его применения показаны в табл. 1.12, подгруппы электрооборудования группы II— в табл. 1. 13, температурные классы электрооборудования группы II — в табл. 1. 14.
Таблица 1.11 ГРУППЫ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ПАРОВ С ВОЗДУХОМ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
Таблица 1.12 ГРУППЫ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО ОБЛАСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Виды защиты:
взрывонепроницаемые оболочки d заполнение или продувка оболочки защитным газом
под избыточным давлением р
искробезопасная цепь i
кварцевое заполнение оболочки с токоведущими частями q
масляное заполнение оболочки с токоведущими частями о
специальный вид взрывозащиты s
защита вида «е» е
В маркировку взрывозащищенного электрооборудования входят:
знак уровня защиты электрооборудования 2,1, 0
знак, указывающий на соответствие электрооборудования стандартам на взрывозащищенное электрооборудование Ех
знак вида защиты d, р, i, q, о, s, е
знак группы или подгруппы электрооборудования II, IIA, IIВ, НС
Таблица 1 .13 ПОДГРУППЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГРУППЫ II С ВИДАМИ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ «ВЗРЫВОНЕПРОНИЦАЕМАЯ ОБОЛОЧКА» ИЛИ (И) «ИСКРОБЕЗОПАСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ»
Таблица 1.14 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЛАССЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГРУППЫ II
Примеры маркировки взрывозащищенного электрооборудования приведены в табл. 1. 15.
Исполнение электрооборудования в зависимости от класса взрывоопасной зоны показано в табл. 1. 16, допустимые способы прокладки проводов и кабелей в зависимости от класса зоны — в табл. 1. 17.
Таблица 1. 5 ПРИМЕРЫ МАРКИРОВКИ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Таблица 1.16 ИСПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ, ГДЕ ОНО ПРИМЕНЯЕТСЯ
Окончание табл. 1. 16
* Символ «х» заменяет цифру, которая выбирается в зависимости от условий среды.:
Таблица 1.17 ДОПУСТИМЫЕ СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОНАХ
Окончание табл. 1.17
Таблица 1.10 КАТЕГОРИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ПАРОВ С ВОЗДУХОМ
Таблица 1.11 ГРУППЫ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ПАРОВ С ВОЗДУХОМ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
Таблица 1.12 ГРУППЫ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО ОБЛАСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Таблица 1.13 ПОДГРУППЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГРУППЫ II С ВИДАМИ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ «ВЗРЫВОНЕПРОНИЦАЕМАЯ ОБОЛОЧКА» ИЛИ (И) «ИСКРОБЕЗОПАСН
Таблица 1.14 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЛАССЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГРУППЫ II
Таблица 1.15 ПРИМЕРЫ МАРКИРОВКИ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Таблица 1.16 ИСПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ, ГДЕ ОНО ПРИМЕНЯЕТСЯ (окончание)
Таблица 1.16 ИСПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ, ГДЕ ОНО ПРИМЕНЯЕТСЯ
Таблица 1.17 ДОПУСТИМЫЕ СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОНАХ (окончание)
Таблица 1.17 ДОПУСТИМЫЕ СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОНАХ
1.6. Электроустановки в пожароопасных зонах
1.6. Электроустановки в пожароопасных зонах
Степени защиты электрооборудования, применяемого в пожароопасных зонах, приведены в табл. 1. 18.
Таблица 1.18 ДОПУСТИМЫЕ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ПОЖАРООПАСНОЙ ЗОНЫ
Окончание табл. 1. 18
* Символ «х» означает, что степень защиты принимается в соответствии с условиями внешней среды в месте установки светильника.
Электропроводка внутри светильника с лампами накаливания и ДРЛ до места присоединения внешних проводов должна выполняться термостойкими проводами.
Степень защиты переносного светильника — IP54, стеклянный колпак должен быть защищен металлической сеткой.
Таблица 1.18 ДОПУСТИМЫЕ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ПОЖАРООПАСНОЙ ЗОНЫ (окончание)
Таблица 1.18 ДОПУСТИМЫЕ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КЛАССА ПОЖАРООПАСНОЙ ЗОНЫ
2. Обеспечение надежности элементов,устройств,машин
2.1. Резисторы
2.1. Резисторы
Резисторы классифицируются по характеру изменения сопротивления (постоянные, переменные регулируемые, переменные подстроечные), по назначению (общего назначения, высокочастотные, высоковольтные и др.), по материалу резистивного элемента (проволочные, непроволочные).
Непроволочные резисторы в зависимости от материала токопроводящего слоя подразделяются на металлодиэлектрические, металлоокисные, углеродистые, лакопленочные, на проводящей пластмассе и др.
Новая система обозначений резисторов представлена в табл. 2. 1.
Таблица 2. 1 СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ
В старой системе обозначений резисторов первый элемент означает: С — резистор постоянный, СП — резистор переменный, СТ — терморезистор, СН — варистор; второй элемент:
1 — углеродистые и бороуглеродистые, 2 — металлодиэлектрические и металлоокисные, 3 — композиционные пленочные, 4 — композиционные объемные, 5 — проволочные.
Применяются резисторы и с более старыми обозначениями, например, непроволочные постоянные ВС, УЛМ, МЛТ, проволочные ПЭ.
Номинальными параметрами резистора являются номинальная мощность рассеяния Рном, номинальное сопротивление R, допускаемое отклонение сопротивления, или допуск, температурный коэффициент сопротивления (ТКЕ), который показывает относительное обратимое изменение сопротивления при изменении температуры резистора на 1 С. Чем меньше ТКС, тем большей температурной стабильностью обладает резистор. Номинальную мощность резистора можно узнать по маркировке на корпусе или в зависимости от размеров по табл. 2. 2.
Таблица 2. 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ РЕЗИСТОРОВ ПО ИХ РАЗМЕРАМ
На корпус резистора наносится маркировка, если позволяют его размеры, которая содержит сокращенное обозначение, номинальную мощность, номинальное сопротивление, допуск.
Номинальное сопротивление обозначается цифрами с указанием единицы измерения:
Ом (R или Е по-старому или без буквы) — омы; кОм (К) — килоомы, МОм (М) — мегаомы, ГОм (G) — гигаомы, ТОм (Т) — тераомы. Например,
220 Ом 680 кОм 3, 3 МОм 4, 7 ГОм 1 ТОм или 220 680к 3М3 4G7 1Т,
где буква между цифрами определяет положение запятой.
Коды допускаемых отклонений сопротивления показаны в табл. 2. 3.
Таблица 2. 3 КОДЫ ДОПУСКАЕМЫХ ОТКЛОНЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ
Примеры маркировки резисторов показаны на рис. 2. 1.
Для иностранных резисторов цвет пояска означает цифру:
черный — 0, коричневый — 1, красный — 2, оранжевый — 3, желтый — 4, зеленый — 5, синий — 6, фиолетовый — 7, серый — 8, белый — 9.
Число, соответствующее величине сопротивления резистора в Омах, составляется из цифр, соответствующих цвету поясков, начиная с первого (1), причем цвет третьего пояска (3) определяет число нулей, которые нужно приписать к двум первым цифрам, чтобы получить величину сопротивления. Четвертый поясок (4) обозначает класс точности резистора: золотой поясок — ±5%, серебряный — ±10%, отсутствие пояска - ±20%.
На схемах постоянные резисторы имеют внутри символа обозначения знак, указывающий номинальную мощность рассеяния резистора (рис. 2. 1, б). Рядом с условным обозначением резистора указывается величина его номинального сопротивления и знак R с цифрой или числом, указывающим порядковый номер резистора на схеме.
Рис. 2. 1. Маркировка резисторов и обозначение их мощности на схемах:
а) пример маркировки отечественного резистора. Расшифровка: тип МЛТ, мощность рассеяния 2 Вт, 2, 2 кОм, отклонение величины сопротивления 5%;
6) пример маркировки иностранного резистора: 1-4 — номера поясков. В данном случае цвета поясков: 1 — коричневый, 2 — черный, 3 — черный, 4 — серебряный. Расшифровка: 100 Ом, класс точности ±10%;
в) обозначение мощности рассеяния резисторов на схемах.
Величины номинальных сопротивлений от 1 до 99 Ом указываются числом без единицы измерения, а если число содержит дробь, то с указанием единицы измерения, например, 56, 5, 6 О. м. Величины сопротивлений от 1 до 999 кОм обозначаются числом с буквой к — 5, 6к, 56к.
Величины сопротивлений в мегаомах на схемах указывают числом без единицы измерения, причем в целом числе при этом присутствуют запятая и нуль — 56, 0.
Данные некоторых резисторов приведены в табл. 2Д
Полупроводниковые нелинейные резисторы, в отличие от рассмотренных линейных резисторов, обладают способностью изменять свое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и др.
Терморезисторы, или термисторы, имеют резко выраженную зависимость электрического сопротивления от температуры. Терморезисторы могут быть как с отрицательным, так и с положительным коэффициентом сопротивления — позисторы.
Таблица 2. 4 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ РЕЗИСТОРОВ
Наряду с параметрами, сходными с параметрами линейных резисторов, терморезисторы имеют свои параметры.
Коэффициент температурной чувствительности В определяет характер температурной зависимости данного вида терморезистора.
Постоянная времени характеризует тепловую инерционность. Она равна времени, в течение которого температура
терморезистора изменяется на 63% при перенесении его из воздушной среды с температурой 0 °С в воздушную среду с температурой 100 °С.
Варисторы обладают резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от приложенного к ним напряжения.
Данные некоторых нелинейных резисторов показаны в табл. 2. 5.
Таблица 2. 5 НЕЛИНЕЙНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Отказы резисторов происходят в основном из-за обрывов в токопроводящей цепи, из-за нарушений контактов и от перегрева, приводящего к перегоранию проводящего слоя. Вследствие перегорания проводящего материала происходят внезапные отказы, а вследствие дрейфа сопротивления резистора — постепенные отказы.
Часть отказов резисторов зависит от состояния других деталей в аппаратуре и их отказов, значительное число отказов происходит из-за их неправильного применения.
При выборе резистора нужно учитывать как его параметры, так и условия среды, где он будет работать — температуру, влажность, вибрации и т. д. Следует также учитывать, что у резисторов существует максимальная частота приложенного напряжения, при которой их сопротивление начинает меняться, и допускаемое напряжение.
При определении состояния работающих резисторов или новых для замены вышедших из строя необходима их проверка.
Постоянные резисторы проверяют внешним осмотром на отсутствие механических повреждений и соответствие параметров, указанных на корпусе, принципиальной электрической схеме. Сопротивление резисторов измеряется омметром. При осмотре резистора проверяют целость корпуса, его покрытия, прочность выводов. Целость выводов проверяют измерением сопротивления резистора при их покачивании.
Переменные резисторы после внешнего осмотра проверяют на плавность изменения сопротивления путем его измерения при вращении оси, на соответствие закона изменения сопротивления резистора его типу, сопротивление резистора при крайних положениях оси. При измерении сопротивления резистора при вращении его оси часто наблюдаются скачки сопротивления, что говорит о неисправности резистора и о необходимости его замены.
Для замены необходим соответствующий подбор резистора. Параметры резистора должны соответствовать условиям его применения по нагрузке и внешней среде, фактическая мощность, рассеиваемая на резисторе, и его температура должны быть ниже предельных значений по техническим условиям на резистор.
По величине отклонения сопротивления резистора от номинального резисторы выбирают с учетом особенностей цепей, где они работают. Если большое отклонение сопротивления мало влияет на работу устройства, то можно применять резисторы с отклонением 20%. Такими резисторами могут быть резисторы в цепях управляющих сеток ламп, в цепи коллекторов транзисторов.
Если от величины сопротивления резистора зависит режим работы цепи, то следует применять резисторы с допуском 5 или 10%. К ним относятся резисторы в цепях эмиттера и базы
транзистора.
В цепях, где требуется постоянство сопротивления, применяются резисторы с допуском не более 2%.
Работа резистора в схеме проявляется его нагревом. Относительно сильный нагрев (до 300 С) для резистора не опасен, выделяющееся тепло может отрицательно повлиять на соседние детали. В таких случаях для уменьшения нагрева резистора его нужно заменить на другой, большей мощности, но с теми же другими параметрами.
Рис. 2.1. Маркировка резисторов и обозначение их мощности на схемах
Таблица 2.1 СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ
Таблица 2.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ РЕЗИСТОРОВ ПО ИХ РАЗМЕРАМ
Таблица 2.3 КОДЫ ДОПУСКАЕМЫХ ОТКЛОНЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ
Таблица 2.4 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ РЕЗИСТОРОВ
Таблица 2.5 НЕЛИНЕЙНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
2.2. Конденсаторы
2.2. Конденсаторы
В основу классификации конденсаторов положено деление их на группы по виду применяемого диэлектрика и по конструктивным особенностям.
Сокращенное обозначение конденсатора состоит из букв и цифр. Первый элемент обозначения — буква или сочетание букв — обозначает подкласс конденсатора: К — постоянной емкости, КТ — подстроечные, КП — переменной емкости. Второй элемент означает группу конденсаторов в зависимости от вида диэлектрика (табл. 2. 6). Третий элемент пишется через дефис и соответствует порядковому номеру разработки. В состав второго и третьего элементов могут входить буквы.
Таблица 2. 6 УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАТЕРИАЛА ДИЭЛЕКТРИКА
Для старых типов конденсаторов в основу условных обозначений брались конструктивные, технологические и другие признаки: КД — конденсаторы дисковые, ФТ — фторопластовые теплостойкие, КТП — конденсаторы трубчатые проходные.
Маркировка конденсатора содержит, если позволяют размеры корпуса, его тип, номинальное напряжение, емкость, допуск, группу ТКЕ, а если размеры не позволяют, то применяется цветовая маркировка (табл. 2. 7).
Таблица 2.7 ЦВЕТОВЫЕ КОДЫ ДЛЯ МАРКИРОВКИ КОНДЕНСАТОРОВ (В ВИДЕ ТОЧЕК ИЛИ ПОЛОС)
Полное обозначение номинальных емкостей состоит из чисел величины емкости и единицы измерения (пф — пикофарада, мкФ — микрофарада, Ф — Фарада).
Кодированное обозначение номинальных емкостей содержит две или три цифры и букву. Буква из русского или латинского алфавита обозначает название доли фарады или целой фарады: П (р) — пикофарада = 10^-12 Ф, Н (п) — нанофарада = 10^-9 Ф, М (ц) — микрофарада = 10^-6 Ф, Ф (F) — фарада. Например, емкость 2,2 пф обозначается 2П2 (2р2), 1500 нФ — 1Н5 (1n5); 1 мкФ - М1 (ц1), 10 мкФ - 10М (10ц), 1 Ф - 1Ф0 (1F0).
Допускаемые отклонения емкости обозначаются цифрами или кодом (табл. 2.8).
Т а б л и ц а 2.8 ДОПУСКАЕМЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА ОТ НОМИНАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ
Параметрами конденсаторов являются номинальная емкость, номинальное напряжение. Тангенс угла потерь характеризует активные потери энергии в конденсаторе. Величина, обратная тангенсу угла потерь, называется добротностью конденсатора.
Сопротивление изоляции и ток утечки характеризуют качество диэлектрика. Наиболее высокое сопротивление изоляции имеют фторопластовые, полистирольные и полипропиленовые конденсаторы, несколько ниже оно у керамических и поликарбонатных.
Для оксидно-электролитических конденсаторов задается ток утечки, значение которого пропорционально емкости и напряжению. Наименьший ток утечки имеют танталовые конденсаторы (от единиц до десятков микроампер), а у алюминиевых конденсаторов он на один-два порядка больше.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) определяет относительное изменение емкости при изменении температуры конденсатора на 1 С.
Данные некоторых конденсаторов приведены в табл. 2.9.
Большинство отказов конденсаторов происходит из-за пробоя и перекрытия, бывают отказы из-за механических повреждений, уменьшения емкости и сопротивления изоляции.
Выход из строя диэлектрика конденсатора может происходить за счет пробоя в объеме диэлектрика и разряда по его поверхности. Пробой происходит, когда напряженность электрического поля превышает определенное значение для данного диэлектрика — пробивную напряженность, характеризующую электрическую прочность диэлектрика. Для твердых диэлектриков характерны две формы пробоя - электрический и тепловой.
Таблица 2. 9 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
* Для ряда промежуточных емкостей.
Окончание табл. 2. 9
В основе электрического пробоя находится ударная ионизация электронами материала диэлектрика, в результате чего
увеличивается количество носителей заряда. Происходит пробои, который может сжечь диэлектрик или прожечь в его объеме канал.
Электрический разряд по поверхности диэлектрика может быть в воздухе над ним или по самой поверхности диэлектрика с образованием дорожек.
Тепловой пробой происходит в результате нарушения теплового равновесия в диэлектрике, когда нагрев диэлектрика при электрической нагрузке превышает отвод тепла. Происходит уменьшение электрического сопротивления, и электрической прочности диэлектрика, что приводит к электрическому пробою. Повреждение имеет вид проводящего канала. Обычно пробой происходит в результате ряда факторов: электрической нагрузки, механической нагрузки, влажности, высокой внешней температуры. Пробой выражается в виде проводящего канала от одной до другой обкладки.
В процессе хранения и работы конденсатора могут происходить обратимые и необратимые изменения его параметров.
Вышедшие из строя конденсаторы иногда можно определить по внешнему виду, например, у электролитических конденсаторов может быть вздутие корпуса, у малогабаритных — следы сгорания. Проверяется также прочность крепления выводов. Тем же проверкам подвергаются и новые конденсаторы, предназначенные для замены. При этом проверяется соответствие их параметров, указанных на корпусе, электрической схеме. У конденсаторов переменной емкости проверяют плавность вращения ротора, отсутствие заеданий и люфтов.
Окончательные сведения о состоянии конденсатора может дать его электрическая проверка с помощью приборов, которая заключается в следующем:
проверка на короткое замыкание и пробой;
измерение сопротивления изоляции, у электролитических конденсаторов — тока утечки;
измерение емкости;
проверка целости выводов.
Проверка неэлектролитических конденсаторов заключается в следующем.
Конденсаторы на короткое замыкание проверяют омметром на максимальных пределах измерения, измеряя сопротивление между выводами и между выводами и корпусом, если корпус металлический. Если емкость конденсатора больше 1 мкф, и он исправен, то после присоединения омметра конденсатор заряжается и стрелка прибора отклоняется в сторону 0, причем отклонение зависит от емкости конденсатора, типа прибора и напряжения источника питания, потом стрелка медленно возвращается к положению около оо.
При наличии утечки омметр показывает малое, сопротивление — сотни и тысячи Ом, величина которого Зависит от емкости и типа конденсатора. При проверке исправных конденсаторов емкостью меньше 1 мкф стрелка прибора не отклоняется, потому что малы ток заряда конденсатора и время заряда. При пробое конденсатора его сопротивление около 0.
При проверке омметром нельзя установить пробой конденсатора, если он происходит при рабочем напряжении.
В таком случае можно проверить конденсатор мегаомметром при напряжении прибора, не превышающем рабочее напряжение конденсатора.
Конденсаторы переменной емкости проверяют на пробой при плавном повороте ротора.
Проверить конденсатор на пробой-можно на специальной испытательной установке, прикладывая между выводами и каждым выводом и корпусом повышенное напряжение, превышающее номинальное в 1.5...3 раза в течение 10...60 с, в зависимости от типа конденсатора.
Сопротивление изоляции конденсатора между выводами и каждым выводом и корпусом проверяют ламповым мегаомметром. При этом сопротивление изоляции бумажных конденсаторов сотни и тысячи мегом, остальных — десятки и сотни тысяч мегом.
Проверка электролитических конденсаторов заключается в наблюдении заряда конденсатора от источника питания тестера. При этом от конденсатора отпаивают детали, если он в схеме, и разряжают его, подготавливают прибор для измерения больших сопротивлений, гнездо общее прибора должно быть соединено с положительным выводом конденсатора, а гнездо сопротивлений — с корпусом конденсатора.
Если конденсатор исправен, то стрелка прибора быстро движется к нулю, а затем устанавливается около знака оо. Если конденсатор потерял емкость, то стрелка прибора почти не отклоняется, а если имеет значительную утечку, то стрелка отклоняется почти до нуля и устанавливается далеко от знака со.
Клиновые конденсаторы не имеют выводов и впаиваются в вырезы печатных плат. При этом в корпусе конденсатора могут образоваться трещины, нарушающие работу конденсатора или создающие помехи. Поэтому при проверке таких конденсаторов нужно обращать внимание на их целость
При выборе конденсатора для замены нужно ориентироваться на заменяемый конденсатор, если на его корпусе есть данные о его параметрах.
Если данных нет, то нужно пользоваться схемой этого или сходного устройства, а если ее нет, то приходится ставить конденсатор, похожий по внешнему виду. При этом нужно учитывать условия эксплуатации и руководствоваться следующим.
Номинальное напряжение конденсатора определяют с учетом постоянной и переменной составляющих напряжения в месте установки конденсатора. Сумма постоянной и амплитуды переменной составляющих не должна превышать номинального напряжения, а для электролитических конденсаторов амплитуда переменной составляющей не должна превышать величины постоянной составляющей. Рабочее напряжение электролитических конденсаторов должно быть ниже номинального на 10... 20%, так как пробивное напряжение для них близко к номинальному.
В цепях с высокой стабильностью параметров, например, в колебательных контурах, применяют керамические и воздушные конденсаторы с высоким классом точности.
В цепях, к которым не предъявляются высокие требования по стабильности параметров, например, в фильтрах развязки, применяют бумажные конденсаторы.
В некоторых цепях существуют высокие требования к сопротивлению изоляции, например, к конденсаторам связи между соседними каскадами. В этом случае применяют слюдяные конденсаторы.
В цепях высокой частоты применяют конденсаторы с высокой предельной частотой.
Бумажные конденсаторы не применяют в цепях с частотой, превышающей единицы мегагерц.
В цепях высокой частоты применяют керамические и вакуумные конденсаторы.
Электролитические и бумажные конденсаторы применяют в цепях сглаживающих фильтров выпрямителей, фильтров развязки и блокировки. При этом требуются конденсаторы большой емкости.
В этих цепях применяются также сегнетоэлектрические конденсаторы.
В цепях при напряжении менее 10 В не рекомендуется применять конденсаторы с вкладными выводами, так как в них может нарушиться контакт с фольгой.
Герметизированные конденсаторы в металлическом корпусе имеют большую емкость на корпус. Если при монтаже ни один вывод конденсатора не соединяется с шасси устройства, то конденсатор необходимо изолировать от шасси на опорах толщиной 0.5...1 см.
Для малогабаритной аппаратуры необходимо выбирать малогабаритные конденсаторы..
Конденсаторы могут применяться в цепях постоянного и переменного напряжения. Для цепей постоянного тока применяются в основном электролитические конденсаторы, у которых с одного конца корпуса выходит один или несколько изолированных выводов. При монтаже конденсатора эти выводы присоединяются к положительному полюсу цепи с учетом соответствия напряжений участков цепи и выводов конденсатора, а корпус конденсатора присоединяется к металлическому корпусу устройства. Если у электролитического конденсатора другая конструкция, то полярность его выводов обозначается знаками <+» и «—». Следует учесть, что могут быть и неполярные электролитические конденсаторы.
Если полярный конденсатор включить в сеть переменного напряжения, то через его диэлектрик пойдет переменный ток, нагревая конденсатор, и он может выйти из строя. В крайнем случае, при отсутствии нужного конденсатора на переменное напряжение вместо него можно применить полярный конденсатор при условии, что его напряжение много больше напряжения сети. Например, полярный конденсатор с напряжением 250 В может работать в сети переменного напряжения 50 В при частоте 50 Гц. Внешними признаками выхода из строя бумажных и электролитических конденсаторов являются вздутие корпуса, отрыв торцевых изолирующих частей у выводов, отрыв выводов.
Керамические конденсаторы могут обугливаться или разрушаться. Признаки внутренних неисправностей могут быть выявлены только при измерениях, о чем говорилось выше.
При любой неисправности конденсатор должен быть заменен.
Таблица 2.6 УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАТЕРИАЛА ДИЭЛЕКТРИКА
Таблица 2.7 ЦВЕТОВЫЕ КОДЫ ДЛЯ МАРКИРОВКИ КОНДЕНСАТОРОВ (В ВИДЕ ТОЧЕК ИЛИ ПОЛОС)
Таблица 2.8 ДОПУСКАЕМЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА ОТ НОМИНАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ
Таблица 2.9 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ КОНДЕНСАТОРОВ (окончание)
Таблица 2.9 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
2.3. Катушки электрических аппаратов
2.3. Катушки электрических аппаратов
Катушкой называется обмотка изолированного провода, намотанная на каркас или без каркаса, имеющая выводы для присоединения. Каркас изготовляется из картона или пластмассы. Катушки служат для создания магнитного потока, который создает движущие силы для работы аппаратов или индуктивное сопротивление, когда катушка является дросселем.
Катушки можно разделить на два вида: токовые, содержащие небольшое количество витков провода площадью сечения, соответствующей силе проходящего тока, и катушки напряжения, содержащие большое количество витков провода небольшого сечения.
Катушки применяются в электромагнитах пускателей и реле, расцепителей автоматических выключателей, электрических тормозов, в электроизмерительных приборах, в пуско-регулирующих аппаратах люминесцентных ламп в качестве дросселей, в блоках питания аппаратуры автоматики и радиоэлектроники также в виде дросселей.
Изоляция катушки подвергается перенапряжениям — скачкам напряжения при разрыве цепи ее обмотки, зависящим от скорости размыкания цепи, числа витков ее обмотки, магнитной системы аппарата. Эти перенапряжения могут передаваться на другие реле, вызывая их ложное срабатывание.
Перенапряжения также могут передаваться из внешней цепи при включении катушек других аппаратов.
Электрическая прочность изоляции катушки проверяется согласно гл. 5.
Катушки одинаковых размеров могут изготовляться на разное напряжение — переменное 36, 110, 220, 380, 660 В и постоянное 6, 12, 24, 36, 48, 60, 110, 220, 440 В. Поэтому катушки новых аппаратов нужно проверять на соответствие напряжения, на которое они изготовлены, напряжению сети, что можно сделать по этикетке на общей изоляции обмотки катушки. То же делается и при замене вышедшей из строя катушки, при этом если на поверхности катушки нет этикетки, то можно измерить ее сопротивление и сравнить с такой же катушкой другого аппарата. При наладке нового аппарата или замене катушки перед ее укреплением на месте нужно проверить, не касаются ли подвижные детали электромагнита изоляции катушки, и если касаются, то нужно ее поставить так, чтобы не было касания, или отрегулировать ход подвижных деталей, и только после этого укреплять катушку.
Нужно проследить, чтобы не было воздушного зазора при касании якоря и сердечника электромагнита, так как при наличии воздушного зазора уменьшается индуктивное сопротивление обмотки, увеличивается ток, и катушка может перегреться и выйти из строя.
При присоединении катушки постоянного тока нужно соблюдать полярность, когда аппарат, например, поляризационное реле, реагирует на направление тока.
Перегрев катушки ведет к увеличению активного сопротивпения провода, уменьшению тока и силы, притягивающей сердечник электромагнита, что может вызвать ложное срабатывание реле, увеличение воздушного зазора между якорем
сердечником и еще больший перегрев катушки и сгорание изоляции ее обмотки. Поэтому нужно следить, чтобы катушки не нагревались от посторонних источников тепла, например, от резисторов, установленных рядом и особенно ниже катушки. Высокая температура катушки может быть обусловлена высокой температурой в помещении, где установлена аппаратура, высокой температурой в шкафу управления из-за выделения тепла аппаратами, перегревом аппарата, на котором установлена катушка. Перегрев катушки аппарата может быть также при его частом включении—отключении.
Высокая температура катушки также приводит к уменьшению сопротивления изоляции провода обмотки. При высокой температуре возможны обрывы провода при разном температурном расширении провода и каркаса катушки. Высокая температура ведет к ускорению процессов старения изоляции катушки.
Влага может проникать в катушку через общую изоляцию, изоляцию между слоями к проводу и способствовать уменьшению сопротивления изоляции провода. Это может вызвать замыкание между слоями намотки или между витками в слое. В результате замыкания может быть обрыв провода или шунтирование части витков, что будет способствовать перегреву катушки.
При низкой температуре влага может замерзать в катушке и способствовать выходу ее из строя.
Низкая температура также способствует уменьшению надежности катушки, так как при этом могут быть местные напряжения в проводах и изоляции в результате уменьшения объемов материалов при охлаждении.
На катушки влияют механические воздействия в виде вибрации и сотрясений, вызывая разрушающие механические напряжения в деталях катушки.
В результате воздействий на катушку, рассмотренных выше, в катушке могут быть нарушения цепи для тока из-за обрыва провода внутри катушки, обрывов выводов, окисления выводных зажимов, сгорание изоляции части витков или полное сгорание изоляции обмотки. В последнем случае говорят, что катушка сгорела.
Заменять катушку нужно при обрыве провода внутри катушки или замыкании витков с различными последствиями.
При проверке катушки после отказа полное сгорание ее изоляции видно сразу, так как обычно сгорает наружная изоляция катушки. Если наружная изоляция не сгорела, но катушка не работает, то, отогнув наружную изоляцию, можно увидеть сгоревшую изоляцию провода Проверку провода катушки на обрыв можно производить с помощью индикатора напряжения, омметра или мегаомметра.
При проверке катушки с помощью индикатора напряжения при исправной обмотке и наличии напряжения на одном выводе катушки оно должно быть и на другом выводе. Этот последний вывод должен быть отсоединен от сети для устранения ошибок при измерении.
Омметр, присоединенный к выводам катушки, при исправной катушке покажет ее сопротивление согласно паспорта, а при наличии замыкания витков покажет меньшее сопротивление, но если замыкание витков происходит только под действием напряжения, то омметр может и не показать изменение сопротивления.
Мегаомметр при исправной катушке покажет сопротивление ее обмотки при измерении в килоомах немногим более 0, но меньше 1 кОм, и при измерении в мегаомах — 0, так как сопротивление катушки измеряется в омах.
2.4. Трансформаторы, применяемые в устройствах автоматики и электроники
2.4. Трансформаторы, применяемые в устройствах автоматики и электроники
Так как трансформаторы устройств автоматики и электроники отличаются от катушек только тем, что они изготовляются с сердечником, все сказанное в отношении катушек относится и к ним. Отличие только в том, что в трансформаторах две или более обмоток, которые выходят из строя не все сразу.
Нагрузкой трансформатора является ток во вторичной обмотке или обмотках, который может увеличиваться при перегрузке или при коротком замыкании в цепи данной обмотки.
Как показала практика, у обмоток трансформаторов, по которым протекает большой ток, могут греться места пайки выводов. Причина может быть в том, что сечение проводов обмотки или отходящих проводов от этой обмотки во внешнюю цепь меньше, чем этого требует ток нагрузки в данной цепи. Другой причиной может быть некачественная пайка выводов. Попытки перепайки могут быть не всегда успешны, так как для обмотки могут быть применены провода не из меди, а из сплавов, не поддающихся пайке в эксплуатационных условиях. В таком случае пайку можно заменить болтовым или винтовым соединением.
Если трансформатор требует замены, то новый трансформатор перед установкой должен проверяться внешним осмотром или с помощью приборов. Омметром можно проверить целость обмоток трансформатора, отсутствие замыканий между обмотками и каждой обмотки с корпусом.
Сопротивление изоляции между обмотками и между обмоткой и корпусом проверяется мегаомметром.
Бывает, что не обозначены выводы разных обмоток трансформатора. Тогда принадлежность выводов обмоток можно проверить с помощью омметра, если известна схема трансформатора, где указаны сопротивления обмоток. Присоединяя омметр поочередно к разным выводам и измеряя сопротивления, по их величине можно определить принадлежность выводов обмоток.
Наличие или отсутствие напряжения на обмотках и его величину можно определить с помощью вольтметра.
Когда напряжения обмоток трансформаторов электронных устройств не известны, их можно определить следующим образом. Обмотка накала ламп, как правило, имеет толстый провод. В этом случае нужно вынуть одну из ламп устройства и вставить концы накальной обмотки проверяемого трансформатора в накальные гнезда панели вынутой лампы. После этого, при наличии напряжения в цепи накала, измерив напряжения между выводами обмоток трансформатора, можно по величине напряжений определить принадлежность обмоток.
Можно применить этот метод и при наличии другого источника напряжения, если в трансформаторе известна обмотка, напряжение которой соответствует напряжению этого источника. Присоединив концы этой обмотки к источнику напряжения и замерив напряжения на других обмотках трансформатора, можно сделать вывод о назначении этих обмоток.
При выходе из строя трансформатора легче всего его заменить на такой же резервный. Если нет точно такого трансформатора, можно применить другой, если в нем есть обмотки с нужными величинами напряжений и не меньшей мощности. В случае, если другой трансформатор не подходит по месту крепления, место крепления в устройстве можно подогнать под новый трансформатор или трансформатор укрепить в другом месте данного устройства.
2.5. Электронные лампы
2.5. Электронные лампы
Несмотря на то, что электронные лампы стараются не применять в новых разработках электронной аппаратуры, их можно встретить в используемой в настоящее время аппаратуре. Лампы различаются числом электродов (от 3 до 9) и в
зависимости от этого называются: триод, тетрод, пентод, гексод, гептод, октод.и эннод. Двухэлектродная лампа — диод не имеет управляющих сеток и применяется для выпрямления переменного тока.
Приемно-усилительные лампы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов. Первый элемент — напряжение накала катода лампы, округленное до целого числа вольт, второй — буква, показывающая тип лампы. Например, маломощные диоды имеют букву Д, двойные диоды — X, диоды для выпрямления переменного тока — Ц, триоды — С, двойные диоды — Н, тетроды — Э, выходные пентоды — П, маломощные пентоды — Ж. Третий элемент — номер разработки, четвертый — буква, показывающая конструктивное оформление: С — стеклянная лампа с баллоном диаметром более 22,5 мм, П — стеклянная миниатюрная («пальчиковая») с баллоном 19 и 22,5 мм, Р, А, Б, Г — сверхминиатюрные стеклянные лампы и т. д. Отсутствие буквы означает металлический баллон.
Параметры некоторых ламп, применяемых в электронной аппаратуре, приводятся в табл. 2.10.
Таблица 2.10 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Условные обозначения:
Rк— сопротивление в цепи катода ламп;
ВЧ — высокая частота;
НЧ — низкая частота
Крутизна характеристики показывает, на сколько изменяется анодный ток лампы при изменении напряжения управляющей сетки на 1 В.
Внутреннее сопротивление показывает, на сколько вольт надо изменить напряжение на аноде лампы, чтобы ее анодный ток изменился на 1 мА.
Электронные лампы считаются наименее надежными элементами аппаратуры. Внезапные отказы ламп обусловлены перегоранием нити накала, потерей вакуума, обрывами и замыканиями элементов.
Постепенные отказы обусловлены снижением эмиссионной способности катода, величины токов, выходной мощности, ростом сеточных токов.
Надежность ламп зависит от их качества, температуры катода при работе, тока эмиссии катода, напряжения на электродах, от мощностей, рассеиваемых на них, тока управляющей сетки, температуры баллона, микроклимата в месте установки, механических нагрузок. Различие в качестве ламп приводит к разбросу их параметров, что при равных условиях работы в схеме приводит к их различной надежности.
Перегрев катода происходит при повышенном напряжении накала. Это приводит к усилению протекания всех физико-химических процессов в лампе и выходу ее из строя. Понижение напряжения накала на несколько процентов ведет к повышению надежности ламп, при этом напряжение должно быть стабилизировано, чтобы не допустить дальнейшего его понижения.
Частой причиной выхода из строя ламп является снижение сопротивления изоляции и пробой ее у подогревателей катодов. Это происходит потому, что атомы вольфрама нити накала подогревателя диффундируют в его изоляцию, ухудшая ее свойства. Происходит пробой этой изоляции, короткое замыкание подогревателя на катод и перегорание подогревателя.
Процессы ухудшения изоляции подогревателя происходят более интенсивно при большой температуре подогревателя и увеличенном напряжении между катодом и подогревателем. Поэтому не следует допускать повышения напряжения накала подогревателя. При эксплуатации ламп нужно следить, чтобы между катодом и подогревателем не превышали допустимых пределов ток утечки и напряжение.
При больших напряжениях на аноде и экранной сетке возможны изменения траектории электронов, часть электронов попадает на детали лампы, образуя электрические заряды, которые искажают электрические поля и изменяют параметры ламп. Увеличивается энергия электронов, которые бомбардируют детали лампы, вызывают выделение газа и ухудшение вакуума, разогрев баллона и других деталей и, как следствие, ухудшение параметров лампы.
Температура баллона оказывает большое влияние на надежность ламп. При увеличении температуры увеличивается интенсивность газовыделения из стекла и его электролиза, который изменяет химический состав стекла и его коэффициент расширения, что может вызвать разгерметизацию в месте выводов. Снижение вакуума в лампе отрицательно влияет на работу катода. Так как стекло баллона почти не прозрачно для инфракрасного излучения, тепло при нагреве электродов лампы передается баллону. Оно отводится за счет конвекции, лучеиспускания и теплопроводности; Теплоотвод для ламп небольшой мощности обычно не предусматривается, и перегрев баллонов является обычным явлением.
При перегреве происходят механические разрушения ламп, видимые снаружи. Например, отваливаются колпачки выводов анодов ламп, окисляются штырьки выводов и ухудшаются контакты лампы со схемой.
Происходит нагрев ламповой панели и, если она не керамическая, через несколько лет подгорает и рассыпается, что ухудшает контакты штырьков в гнездах. Тогда нужно заменять панель на другую, желательно керамическую, хотя и в ней не исключено плохое касание штырьков, их нагрев и ухудшение контакта.
Для понижения температуры баллона лампы можно ставить на нее вплотную к баллону медные или латунные экраны, которые улучшают теплоотвод, принимая тепло на себя и отводя его. Если они мало эффективны, то можно применять радиаторы с хорошим теплоотводом.
Тепловой режим лампы определяют мощности, рассеиваемые на электродах, и температура среды в месте установки лампы. Поэтому при других нормальных условиях нагрузка на лампу и температура среды определяют срок ее службы.
Длительные вибрации и сотрясения приводят также к выходу из строя ламп.
При выходе из строя лампа заменяется на другую такую же, но может быть заменена и на лампу другого типа, если соответствуют ее схема и конструкция.
Отказы ламп можно определить по внешним признакам — нить накала лампы не светится, или нить накала светится, но лампа не греется, как обычно.
В первом случае, если нити накала других ламп светятся, причина может быть в том, что не подходит напряжение накала к подогревателю катода. Причина же этого явления заключается в окислении штырьков выводов электродов лампы или в окислении гнезд панели лампы. В таком случае штырьки можно почистить, например, надфилем, а гнезда — четырехгранным шилом.
Внутренней причиной несвечения нити накала лампы является перегорание подогревателя катода лампы. В таком случае лампу нужно менять.
Если нить накала лампы светится, но лампа не греется, как обычно, то значит, что через нее не проходит поток электронов, т. е. электрический ток. Причина может быть во внешней цепи, когда к лампе не подходят нужные напряжения. Это можно проверить измерением напряжений в схеме у штырьков лампы. При отсутствии напряжений или их уменьшении более чем на 20% причину нужно искать во внешней цепи.
Другой причиной, при наличии напряжений, может быть потеря эмиссии катодом лампы. В таком случае лампу нужно менять.
Белый налет внутри лампы, ее необычное свечение также говорят о выходе из строя лампы.
Таблица 2.10 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
2.6. Полупроводниковые приборы
2.6. Полупроводниковые приборы
2.6.1. Обозначения полупроводниковых приборов
2.6.1. Обозначения полупроводниковых приборов
В 1973 г. принята новая система обозначений на вновь разрабатываемые и модернизируемые приборы.
Первый элемент обозначения определяет исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен прибор. Для приборов устройств широкого применения обозначение исходного материала производится буквами: Г — германий или его соединения, К — кремний или его соединения, А — соединения галлия. Для приборов, используемых в устройствах специального назначения, обозначения производятся соответственно цифрами 1, 2, 3.
Второй элемент определяет подкласс прибора: транзисторы без полевых — Т, транзисторы полевые — П, диоды выпрямительные универсальные, импульсные — Д, выпрямительные столбы и блоки — Ц, диоды сверхвысокочастотные — А, варикапы — В, тиристоры диодные — Н, тиристоры триодные — У, стабилизаторы тока — К, стабилитроны — С.
Третий элемент в обозначении диодов, транзисторов и тиристоров определяет назначение прибора и обозначается цифрой.
Диоды выпрямительные малой мощности (прямой ток не более 0, 3 А) обозначаются 1, средней мощности — прямой ток от 0, 3 до 10 А — 2, диоды универсальные с рабочей частотой не более 1000 МГц — 4.
Транзисторы малой мощности (не более 0, 3 Вт) на частоту не более 3 МГц обозначаются 1, на частоту от 3 до 30 МГц — 2, на частоту более 30 МГц — 3. Транзисторы средней мощности (от 0, 3 до 1, 5 Вт) обозначаются соответственно цифрами 4, 5, 6, транзисторы большой мощности — 7, 8, 9.
Четвертый и пятый элементы означают номер разработки прибора и обозначаются цифрами от 01 до 99.
Для стабилитронов третий элемент обозначает индекс мощности, четвертый и пятый — номинальное напряжение стабилизации.
Шестой элемент в обозначении диодов и транзисторов определяет параметрическую группу приборов, а в обозначении стабилитронов — последовательность разработки и обозначается буквами от А до Я.
Примеры обозначения:
ГТ605А — транзистор для устройств широкого применения германиевый, средней мощности, номер разработки 05, группа А;
КД215А — диод выпрямительный для устройств широкого применения кремниевый, средней мощности, номер разработки 15, группа А.
Приборы, разработанные в период с 1964 до 1973 г. имеют сходную маркировку.
Приборы, разработанные до 1964 г., имеют маркировку, состоящую из двух или трех элементов.
Первый элемент: Д — диоды, П — плоскостные транзисторы, С — точечные транзисторы.
Второй элемент — цифра, указывающая тип прибора.
Диоды точечные германиевые — от 1 до 100, точечные кремниевые — от 101 до 200, плоскостные кремниевые — от 201 до 300, плоскостные германиевые — от 301 до 400, стабилитроны — от 801 до 900, варикапы — от 901 до 950, выпрямительные столбы — от 1001 до 1100.
Транзисторы: маломощные германиевые низкочастотные — от 1 до 100, маломощные кремниевые низкочастотные — от 101 до 200, мощные германиевые низкочастотные — от 201 до 300, мощные кремниевые низкочастотные — от 301 до 400.
Третий элемент — буква, указывающая разновидность прибора: П16А, П16Б.
По более ранней системе обозначений плоскостные германиевые диоды обозначаются Д7.
2.6.2. Полупроводниковые диоды
2.6.2. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется прибор, основой конструкции которого является один р-n переход. Условное обозначение диода (прил. 1) сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника.
Параметры некоторых выпрямительных диодов показаны в табл.2.11,
Таблица 2.11 ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
где Iпр ср — прямой средний ток: среднее за период значение тока через диод;
Uобр,и,п — обратное импульсное повторяющееся напряжение: наибольшее мгновенное значение обратного напряжения;
Uобр. макс — максимальное допустимое постоянное обратное напряжение;
Iобр, и — импульсный обратный ток: наибольшее мгновенное значение обратного тока, обусловленное импульсным обратным напряжением;
Iобр — постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением;
Iобр, ср — средний обратный ток: среднее за период значение обратного тока.
Примеры маркировки диодов цветными метками приведены в табл. 2.12.
Таблица 2.12 МАРКИРОВКА ДИОДОВ ЦВЕТНЫМИ МЕТКАМИ
Универсальные и импульсные диоды — полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов включения и выключения и предназначенные для применения в импульсных режимах работы.
Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики этого диода является почти прямой линией (рис. 2.2), поэтому при изменении тока, проходящего через прибор, напряжение на нем практически не меняется.
Рис. 2.2. Схемы применения полупроводниковых диодов:
а) выпрямление переменного тока с помощью выпрямительного диода. Rнагр — сопротивление нагрузки; 6) стабилизация напряжения с помощью стабилитрона. Uвх — входное напряжение, Uвых — выходное напряжение;
в), г) вольт-амперные характеристики. iпр, Unp, iобр.Uобр ~ прямые и обратные токи и напряжения, Uст — стабилизированное напряжение.
Параметры некоторых стабилитронов приведены в табл. 2.13, где Uст — напряжение стабилизации, Iст — ток стабилизации: значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации, Pст.макс — максимально допустимая мощность стабилизации.
Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости его емкости от величины обратного напряжения. Он применяется как элемент с электрически управляемой емкостью: Основные параметры некоторых варикалов приведены в табл. 2.14, где Св — емкость варикапа, Qв — добротность варикапа: отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении.
Таблица 2.13 СТАБИЛИТРОНЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Таблица 2.14 ВАРИКАПЫ
Рис. 2.2. Схемы применения полупроводниковых диодов:
Таблица 2.11 ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Таблица 2.12 МАРКИРОВКА ДИОДОВ ЦВЕТНЫМИ МЕТКАМИ
Таблица 2.13 СТАБИЛИТРОНЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Таблица 2.14 ВАРИКАПЫ
2.6.3. Тиристоры
2.6.3. Тиристоры
Тиристором .называется полупроводниковый прибор на основе четырехслойной структуры р-n-р-n, имеющий три р-n перехода. Напряжения подводятся так, что крайние переходы работают в прямом направлении, а средний — в обратном направлении. Прибор обладает свойством диода.
Если у прибора сделаны выводы только от крайних областей структуры, то он называется диодным тиристором или динистором.
Триодный тиристор, или просто тиристор, включается импульсами тока управления, а выключается или подачей обратного напряжения или прерыванием тока с помощью другого аппарата.
Запираемый тиристор выключается с помощью импульсов тока управления
Симистор (симметричный тиристор) является эквивалентом встречно-параллельного соединения двух тиристоров и способен при открытом состояние пропускать ток в обоих направлениях. Включение происходит импульсами тока управления.
Оптронный тиристор включается с помощью светового сигнала.
Основные параметры некоторых тиристоров показаны в табл. 2.15,
Таблица 2.15 ТИРИСТОРЫ
где Iос.ср.макс-ток в открытом состоянии средний максимально допустимый;
Iос, д. макс — ток в открытом состоянии действующий максимально допустимый;
Iз,и-ток запираемый импульсный (для запираемых тиристоров);
Uзс, п — напряжение в закрытом состоянии повторяющееся — наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору;
Uзс. МАКС — напряжение в закрытом состоянии максимально допустимое;
Uот — напряжение открывания динистора;
Uобр, п — напряжение обратное повторяющееся, наибольшее значение напряжения, прикладываемого к тиристору;
Uобр, макс — напряжение обратное допустимое, максимальное значение;
Iзс, п — ток в закрытом состоянии повторяющийся;
Iзс — постоянный ток в закрытом состоянии;
Iу,от — т0К управления отпирающий;
Iу, от, и ~ отпирающий импульсный ток управления;
Iу, з, и — ток управления запирающий импульсный;
tвкл — время включения;
tвыкл — время выключения.
Тиристоры применяются в преобразователях электрической энергии.
Таблица 2.15 ТИРИСТОРЫ
2.6.4. Транзисторы
2.6.4. Транзисторы
Транзисторами называются полупроводниковые приборы на основе кристалла с двумя р-n переходами и служащие для усиления электрических сигналов. В структуре транзистора возможно количество переходов, отличное от двух. Транзисторы с двумя р-п переходами называются биполярными, так как их работа основана на использовании зарядов обоих знаков.
Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, и управляемый электрическим полем. В полевом транзисторе используются заряды одного знака.
В кристалле полупроводника транзистора созданы три области электропроводности с порядком чередования р-n-р или n-р-n.
Средняя область кристалла транзистора называется базой, крайние области — эмиттером и коллектором. Переходы
между базой и эмиттером и базой и коллектором называются соответственно эмиттерным и коллекторным.
Для обозначения величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют буквы б, э, к.
На изображении транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу.
В зависимости от напряжений на переходах транзистора он может работать в трех режимах.
Активный режим Получается при напряжениях прямом на эмиттерном и обратном на коллекторном переходах.
Режим отсечки или запирания — напряжения на обоих переходах обратные.
Режим насыщения — напряжения на обоих переходах прямые.
Основным является активный режим.
В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.
Предельно допустимые параметры при работе транзистора:
I к. макс — постоянный ток коллектора;
Pк, макс — постоянная рассеиваемая мощность коллектора;
Uкэ — постоянное напряжение коллектор—эмиттер;
Uкэ, R — то же при определенном сопротивлении в цепи база—эмиттер,
Uкб, макс — постоянное напряжение коллектор—база;
Uэб, макс — постоянное напряжение эмиттер—база;
h21э — коэффициент передачи тока в режиме большого сигнала в схеме с общим эмиттером;
h21э — коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером. Коэффициент передачи означает отношение величины сигнала на выходе к величине сигнала на входе, он называется также коэффициентом усиления. .
Из частотных параметров отметим:
fh21 — предельная частота коэффициента передачи тока:
частота, на которой модуль коэффициента передачи тока h21э. уменьшается на 3 дБ;
fгр — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э равен 1.
Статические параметры транзистора — параметры, определяемые при постоянном напряжении на всех его электродах.
Параметры некоторых биполярных транзисторов приведены в табл. 2.16.
Таблица 2. 16 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Схемы включения транзисторов разделяются в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим относительно входного и выходного переменных напряжений. В соответствии с этим схемы называются схемами с общим эмиттером — ОЭ, общей базой — ОБ, общим коллектором — ОК Схема ОЭ является более распространенной, так как дает наибольшее усиление по мощности. Данные схемы включения транзисторов приведены на рис. 2. 3.
Рис. 2. 3. Схемы включения транзисторов
а.) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором. ИС — источник сигнала, подаваемого на вход транзистора, Uвх, Uвых — входное и выходное напряжения сигнала, Uбэ, Uбк, Uкэ — напряжения между базой и эмиттером, базой коллектором, коллектором и эмиттером, iб,iэ,iк- токи базы, эмиттера и коллектора, E1, Е2 — источники питания, С1, С2, — конденсаторы большой емкости, сопротивление которых для переменного сигнала является малым и через которые коллектор по переменному току замкнут, являясь в схеме общим.
Рис. 2.3. Схемы включения транзисторов
Таблица 2.16 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
2.6.5. Оптоэлектронные приборы
2.6.5. Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектронный полупроводниковый прибор — полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.
Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с одним переходом, в котором происходит преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Прибор предназначен для использования в устройствах визуального представления информации. Основные параметры светоизлучающих диодов приведены в табл. 2.17, где I. — сила света, мкд (милликандела), В — яркость, кд/м^2 (кандела на метр^2). Остальные параметры — как в обычных диодах.
Таблица 2.17 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Полупроводниковый знаковый индикатор — полупроводниковый прибор, который состоит из нескольких светоизлучающих диодов и предназначен для использования в устройствах визуального представления информации. Некоторые параметры индикаторов представлены в той же табл. 2.17.
Оптопара — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, который состоит из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.
Основные параметры оптопар и оптоэлектронных ключей представлены в табл. 2.18, где Iвх,опт — входной ток оптопары, Uвх-вых — напряжение между входом и выходом, Uвx, обр — обратное входное напряжение, Рпотр -- потребляемая мощность, Uвх — входное напряжение, Uпит — напряжение питания, Uвых — выходное остаточное напряжение, Rи — сопротивление изоляции между входом и выходом оптопары.
Таблица 2.18 ОПТОПАРЫ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ
Таблица 2.17 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Таблица 2.18 ОПТОПАРЫ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ
2.6.6. Отказы полупроводниковых приборов и их проверка
2.6.6. Отказы полупроводниковых приборов и их проверка
Отказы полупроводниковых приборов часто связаны с пробоем, когда прибор проводит ток в обратном направлении. В основе этого явления лежит пробой р-n перехода в монокристаллической структуре, составляющей основу прибора. Существует несколько разновидностей пробоя р-n перехода.
Тепловой пробой происходит в результате тепловой ионизации атомов полупроводника и местного перегрева структуры.
Лавинный пробой происходит в результате ударной ионизации атомов полупроводника неосновными носителями в области объемного заряда.
Зенеровский пробой происходит в результате перехода валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом происходит разрушение кристаллической решетки в области объемного заряда электрическим полем.
Поверхностный пробой происходит в местах выхода р-n перехода на поверхность полупроводника. Он обусловлен увеличением напряженности поля объемного заряда в связи с искажением поля поверхностными зарядами, ухудшением свойств среды у поверхности полупроводника.
Практически действуют несколько видов пробоя одновременно.
Нарушение вентильных свойств приборов может также происходить при различных перенапряжениях, при перегрузках по току и вызванных ими тепловых перегрузках.
Для увеличения пропускаемого тока безопасного перегрева применяется охлаждение приборов. Охлаждение предусматривается для силовых диодов и тиристоров в энергетике и для мощных диодов, транзисторов и тиристоров в электронике. Охлаждение может быть воздушное, водяное и испарительное.
Воздушное охлаждение осуществляется путем присоединения к прибору теплостока, или радиатора. Радиаторы могут быть медными или алюминиевыми. Применяется в основном резьбовое соединение радиатора с прибором.
Большое значение имеет проблема контакта прибора с радиатором. При этом должно быть плотное затягивание резьбы, но без повреждения резьбы и поверхностей.
В случае применения алюминия для радиаторов проблема контакта заключается в том, что имеется большая электрохимическая разность потенциалов медь—алюминий — около 1, 8 В. Попадание влаги в место контакта вызывает коррозию алюминия, поэтому применяется гальваническое покрытие основания вентиля.
Водяное охлаждение осуществляется присоединением приборов к контуру с водой, например, через полую шину.
Испарительное охлаждение осуществляется присоединением прибора к контуру, где жидкость испаряется и потом конденсируется.
Ясно, что без охлаждения, если оно предусмотрено конструкцией, полупроводниковый прибор не может обеспечить необходимый режим работы и выйдет из строя.
Кроме указанных причин, отказы полупроводниковых приборов могут быть обусловлены обрывами и перегоранием выводов, наружным пробоем между выводами, растрескиванием кристаллов и другими причинами.
Иногда выход из строя прибора можно определить по внешнему виду, если он обгорел, разрушился, обгорели провода. Но не всегда признаки выражены явно, поэтому нужно пользоваться приборами. Рассмотрим проверку некоторых полупроводниковых приборов и других элементов аппаратуры с помощью измерительных приборов.
Диоды
С помощью омметра можно измерить прямое и обратное сопротивления постоянному току. Чем меньше прямое сопротивление и больше обратное сопротивление, тем лучше диод. Прямое сопротивление должно быть не больше примерно 200 Ом, а обратное не меньше 500 кОм. Следует иметь в виду, что если прямое сопротивление около 0, а обратное — около оо, то в первом случае имеется пробой, а во втором — обрыв выводов или нарушение структуры. Сопротивление диода переменному току меньше прямого сопротивления и зависит от положения рабочей точки.
Транзисторы
Как известно, транзистор состоит из двух переходов, каждый из которых обладает свойствами диода, поэтому проверить транзистор можно как диод. С помощью омметра можно проверить сопротивление между эмиттером и базой и коллектором и базой в прямом и обратном направлении.
Если транзистор исправен, то прямые сопротивления составляют величину порядка 30... 50 Ом, а обратные — 0, 5... 2 МОм.
Но недостаточно измерить только величины сопротивлений переходов, чтобы сделать вывод о работоспособности транзистора. Желательно измерить обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера и ориентировочное значение коэффициента усиления по току. Есть специальные приборы для измерения этих параметров транзисторов, например, прибор ТЛ-4М.
Пригодность транзистора определяется сравнением полученных при измерении данных с данными, указанными в паспорте транзистора.
При измерениях параметров отдельного транзистора можно выявить обрывы электродов и замыкания в транзисторах,
но это же можно сделать и при измерениях в схемах с транзисторами. При этом нужно иметь в виду, что применяемый измерительный прибор должен обладать достаточно большим внутренним сопротивлением.
При измерениях можно сделать следующие выводы.
При обрыве цепи базы напряжения базы и эмиттера отсутствуют, напряжение коллектора повышено.
При обрыве цепи эмиттера напряжение коллектора повышено, напряжение базы почти нормальное, напряжение на эмиттере приблизительно равно напряжению базы.
При обрыве цепи коллектора напряжения на всех электродах транзистора уменьшаются.
При обрыве базы внутри транзистора напряжение базы близко к нормальному, напряжение эмиттера уменьшается, а напряжение коллектора повышается.
При замыкании эмиттера и коллектора внутри транзистора напряжение базы изменяется незначительно, напряжение эмиттера возрастает, напряжение коллектора падает.
Нужно учитывать, что транзистор может работать в режиме насыщения. Этот режим бывает тогда, когда сопротивление нагрузки в цепи коллектора велико и ток коллектора создает на нем падение напряжения, равное напряжению источника питания. В этом режиме потенциалы всех электродов транзистора одинаковы. Данный режим используется в импульсных устройствах, а для усилителей опасен.
Параметры и характеристики транзисторов зависят от температуры окружающей среды, стабильности нагрузки, условий теплоотвода. Все эти факторы изменяют температуру транзистора. При повышении температуры возможен выход транзистора из строя и неизбежное изменение параметров схемы. Большую температурную чувствительность транзистора можно объяснить следующим.
Электропроводность германия и кремния, из которых изготовляют транзисторы, зависит от температуры. При увеличении температуры нарушается электрическое равновесие, увеличивается эмиттерный и коллекторный ток, что увеличивает мощность, рассеиваемую на коллекторе, и температуру коллектора, вызывая увеличение обратного тока коллектора. При этом может быть равновесие или транзистор выйдет из строя. Это зависит от условий охлаждения, от окружающей температуры и величины сопротивления в цепи коллектора, ограничивающего нарастание коллекторного тока. Следует помнить, что при большом сопротивлении в цепи коллектора транзистор входит в режим насыщения и перестает быть усилителем.
Второй момент, увеличивающий чувствительность транзистора к температуре, состоит в том, что прямая проводимость участка эмиттер—база увеличивается с ростом температуры. Это явление вызывает увеличение тока эмиттера.
Иногда имеет место самопроизвольное изменение параметров транзисторов независимо от изменений окружающей среды.
Неисправность транзистора в схеме — явление редкое и может быть вызвано его перегревом при плохом теплоотводе или при пайке, или нарушением режимов работы схемы.
Перед заменой транзистора нужно детально его проверить, а при выходе из строя транзистора проверить другие детали, входящие в схему, от которых зависит его работа, так как выход их из строя может быть причиной выхода из строя транзистора.
Для замены нужно брать транзистор такого же типа или равноценный. Перед установкой его нужно проверить описанными методами. Расположение выводов нужно определять по прилагаемому паспорту или по справочнику.
Для пайки транзисторов желательно иметь низковольтный паяльник на 6 или 12 В, присоединяемый через понижающий трансформатор, мощностью около 40 Вт. Можно пользоваться и обычным паяльником, но нужно сначала его нагреть, а потом отключить и паять.
Выводы транзистора, если позволяет его конструкция, нужно оставлять не короче 15 мм, изгибать их не ближе 10 мм от корпуса, изгиб должен быть плавным.
Температура нагрева контактного слоя транзистора не должна превышать 75 С, поэтому для отвода тепла при пайке выводы у корпуса нужно держать плоскогубцами или пинцетом. Паяльник должен быть возможно дальше от транзистора, пайку нужно заканчивать быстрей. Жало паяльника должно быть зачищено и покрыто припоем, который должен быть легкоплавким.
Желательно применение пистолетных паяльников, которые включаются только во время пайки.
Интегральные микросхемы (ИМС)
Отказы ИМС могут быть связаны с физико-химическими процессами внутри полупроводника, с теми же процессами на поверхности полупроводника и обусловлены состоянием контактных соединений.
Первая группа отказов обусловлена структурными дефектами — дислокациями, микротрещинами — внутри полупроводника. Эти дефекты могут с течением времени развиваться под воздействием температурных и механических влияний и изменять характеристики микросхемы, приводя к отказам.
Вторая группа отказов связана с накоплением на поверхности полупроводника двуокиси кремния, а в объеме, близком к поверхности, зарядов, изменяющих состояние р-n переходов, и появление поверхностных каналов. В результате этого происходит увеличение токов утечки, отсутствие насыщения вольт-амперной характеристики перехода коллектор—база, омическое шунтирование эмиттера с коллектором, снижение обратного пробивного напряжения на коллекторе, уменьшение коэффициента усиления по току, омическое шунтирование эмиттера с базой, увеличение шумов.
В ИМС применяется металлизированная разводка между отдельными элементами с соединением алюминиевых контактных площадок с внешними выводами с помощью золотых проводников, привариваемых к контактным площадкам и наружным выводам. Отказы связаны с нарушением соединений этих проводников и металлической разводки из-за механических повреждений или малой толщины пленки алюминия. Нарушения соединений могут вызвать перегрев в этих местах, что ведет к коррозии или расплавлению металла.
Нарушение электрической цепи и появление отказов может произойти по причине образования диэлектрической пленки на границе раздела алюминия и кремния или образования гидрата окиси алюминия на металлизированной разводки, при попадании влаги внутрь корпуса ИМС.
Отказы могут быть также из-за нарушения контакта золотых проводников с контактными площадками микросхемы и внешними выводами корпуса.
Внешним проявлением ухудшений состояния ИМС является увеличение обратного тока коллекторного перехода за счет появления тока утечки.
Надежность ИМС можно повысить за счет улучшения технологии их производства.
Вышедшие из строя микросхемы, как правило, подлежат замене. Заменять ИМС нужно на такую же, но можно и на микросхему сходного типа, электрическая схема которой подходит для данного устройства. Если микросхемы впаяны в печатные платы, то при их замене нужно соблюдать следующие правила.
Паяльник должен быть небольшого размера, мощностью не более 40 Вт, с температурой нагрева жала не более 200 С, с насадкой. Насадка имеет два широких жала, которые прижимаются к рядам припаиваемых выводов микросхемы. Она навинчивается на резьбу на жале паяльника. Припой должен быть с низкой температурой плавления, количество его при пайке должно быть минимальным. Пайка должна производится несколько секунд при отключенном питании паяльника.
Нельзя производить необоснованный замен деталей в схеме, содержащей ИМС, так как это может вывести ее из строя.
2.7 Трансформаторы для электроснабжения
2.7. Трансформаторы для электроснабжения
2.7.1. Общие сведения
2.7.1. Общие сведения
В справочнике рассматривается электрооборудование напряжением до 1000 В, а трансформаторы для электроснабжения этого электрооборудования имеют на входе напряжение более 1000 В — в основном 6, 10 кВ. Но иметь представление о трансформаторах и их отказах начинающему электрику нужно, исходя из их важности в электроснабжении и влиянии на качество напряжения в сети, чтобы не искать причины плохого качества напряжения в самой сети при неисправностях трансформатора.
Большинство потребителей получает электроэнергию от трансформаторов, преобразующих электроэнергию высокого напряжения в энергию напряжения, применяемого потребителем — 380/220 В. В основном применяются трансформаторы трехфазные двухобмоточные с масляным охлаждением, в особых условиях могут применяться трансформаторы сухие и с кварцевым заполнением.
Условное обозначение типа трансформатора состоит из букв, означающих число фаз, вид охлаждения и цифр, показывающих мощность и напряжения высшее и низшее.
Число фаз трансформатора обозначается: О — однофазный, Т — трехфазный.
Обозначения вида охлаждения трансформаторов показаны в табл. 2.19.
Основные данные некоторых трансформаторов показаны в табл. 2. 20, где ТМ — трехфазный с масляным охлаждением, цифра через черточку означает номинальную мощность трансформатора в кВ*A, ВН — высшее напряжение, НН — низшее напряжение, XX — холостой ход, КЗ — короткое замыкание.
Напряжение короткого замыкания Uk — напряжение, которое надо приложить к его первичной обмотке при замкнутой накоротко вторичной, чтобы по обмоткам трансформатора протекал номинальный ток.
Таблица 2.19 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВИДА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Таблица 2.19 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВИДА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
2.7.2. Группы соединений обмоток трансформаторов
2.7.2. Группы соединений обмоток трансформаторов
Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены по-разному. На рис. 2.4, а показано соединение обмоток звездой, которое применяется часто. На рис. 2.4, б показаны векторы напряжений первичной и вторичной обмоток, а на рис. 2.4, в — эти векторы, совмещенные со схемой циферблата часов. Минутная стрелка часов совпадает с направлением векторов первичной обмотки, а часовая — с направлением вектора вторичной обмотки той же фазы.
Группу соединений образуют несколько схем соединений обмоток трансформаторов, дающие одинаковый сдвиг по фазе векторов напряжений вторичных обмоток относительно векторов напряжений первичных обмоток. Вторичные напряжения одноименных фаз всех трансформаторов, имеющих одну и ту же группу соединений, совпадают по фазе.
Таблица 2.2 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Векторы первичных и вторичных напряжений в зависимости от схемы соединения обмоток и их расположения на стержнях магнитопровода могут иметь сдвиги, кратные 30°, поэтому всего основных групп может быть: 360° : 30° = 12, или в часах 1,2... 12. Очевидно, группы 0 и 12 являются одной и той же группой.
Четные группы (2, 4, 6, 8, 10, 12) получаются, если обмотки высшего напряжения (ВН) и обмотки низшего напряжения (НН) соединены одинаково — в звезду или в треугольник.
Нечетные группы (1, 3, 5, 7, 9, 11) получаются, если одна обмотка соединена в звезду, а другая в треугольник.
В обозначении группы соединений слева от черточки расположены знаки или буквы, характеризующие схему соединения обмоток, а справа — цифры, указывающие сдвиг в часовом обозначении.
Рис. 2.4. Группа соединений обмоток трансформатора:
а) схема обмоток трансформатора; б) векторная диаграмма обмоток высшего и низшего напряжений; в) совмещение векторов высшего и низшего напряжений на схеме циферблата часов.
Рис. 2.4. Группа соединений обмоток трансформатора:
Рис. 2.4. Знаки обозначений схемы соединений
Таблица 2.2 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
2.7.3. Параллельная работа трансформаторов
2.7.3. Параллельная работа трансформаторов
Не всегда один трансформатор может справиться с нагрузкой от потребителей, поэтому обычно они работают параллельными группами. Но не каждый трансформатор может
работать в параллельной группе с другими трансформаторами. Для параллельной работы трансформаторов необходимо чтобы они удовлетворяли следующим условиям.
Равенство коэффициентов трансформации К=ВН/НН. где ВН — высшее напряжение, НН — низшее напряжение. При несоблюдении этого условия между вторичными обмотками трансформаторов будет циркулировать уравнительный ток. приводящий к перегреву трансформатора.
Равенство напряжений короткого замыкания Uк %. В противном случае трансформаторы не будут загружаться пропорционально своим мощностям. При этом отношение мощностей параллельно работающих трансформаторов должно быть не больше 1 : 3, иначе для малых трансформаторов перегрузки могут оказаться недопустимыми.
Одинаковые группы соединений. При различных группах соединений параллельно работающих трансформаторов между векторами их вторичных напряжений будет сдвиг фаз, вызывающий уравнительные токи между обмотками трансформаторов. При разных группах соединений, при самом малом сдвиге фаз, равном 30°, уравнительный ток превышает номинальный ток трансформатора в 5 раз, при самом большом сдвиге 180° — в 20 раз.
2.7.4. Приемка и транспортировка трансформаторов
2.7.4. Приемка и транспортировка трансформаторов
Трансформатор принимается после изготовления службами контроля на заводе, а также при покупке его для замены вышедшего из строя трансформатора или для электроснабжения нового объекта. Но после этого надежность трансформатора может измениться в худшую сторону, так как он может перемещаться к месту хранения на заводе или на базе снабжения, и это перемещение и условия хранения могут ухудшить его состояние.
В новом трансформаторе прежде всего нужно обращать внимание на уровень масла. Оно-должно быть видно хотя бы в маслоуказателе, иначе есть сомнение в его наличии в трансформаторе, что, в свою очередь, говорит о течи в корпусе трансформатора. Нужно проверять отсутствие течи и при наличии масла в маслоуказателе.
Необходимо убедиться в отсутствие механических повреждений корпуса трансформатора, изоляторов и шпилек, в отсутствие трещин на изоляторах, в целостях резьбы на шпильках и т. д.
К трансформатору должна быть приложена вся необходимая документация, запасные части, что должно быть проверено по ведомости комплектации.
Погрузка и перевозка трансформатора должна производиться с предосторожностями, чтобы его не повредить. Для предотвращения ударов и перемещений при перевозке трансформатор привязывается.
Таблица 2. 21 НЕИСПРАВНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ
* Обслуживание и ремонт трансформаторов производят электрики специализированных служб При ликвидации аварии им могут помогать электрики других служб при отсутствии напряжения в месте работы на токоведущих частях и вблизи них
Окончание табл. 2. 21
Таблица 2.21 НЕИСПРАВНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ (окончание)
Таблица 2.21 НЕИСПРАВНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ
2.8. Выпрямители
2.8. Выпрямители
Многие потребители энергии требуют для своей работы постоянного тока. К ним относятся аппаратура радиоэлектроники и автоматики, двигатели постоянного тока в промышленности и на транспорте, технологические процессы в промышленности, например, электролиз.
Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется в выпрямителях с использованием полупроводниковых приборов.
Основными частями выпрямителя являются:
вентильная группа, преобразующая переменный ток в постоянный, трансформатор, преобразующий величину напряжения, получаемого из сети, в величину, нужную для приемника постоянного напряжения;
сглаживающий фильтр для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения.
Кроме того, выпрямитель может иметь устройства для стабилизации и регулирования выпрямленного напряжения.
По числу фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители могут быть однофазными и трехфазными.
На рис. 2. 5 показаны распространенные схемы выпрямителей.
Рис. 2. 5. Схемы выпрямителей:
а) однофазная мостовая; б) трехфазная нулевая; в) трехфазная мостовая. i2,i2а,i2б,i2с — токи в обмотках трансформатора; iнагр — ток в нагрузке;
Rнагр — сопротивление.нагрузки; А — общий анод; К — общий катод.
Выпрямители с регулированием выпрямленного напряжения, или управляемые, могут работать по тем же схемам рис. 2.5, б, в, но с применением управляемых диодов и системы управления этими диодами.
Однофазная мостовая схема выпрямления (рис. 2.5, а) состоит из четырех диодов, включенных по схеме моста, причем
нагрузка присоединяется к общей точке катодов двух диодов и к общей точке анодов других двух диодов, составляя диагональ моста 1—2. Другая диагональ моста присоединяется к вторичной обмотке трансформатора. Направление тока в полупериод, когда знак «+» на верхнем конце обмотки трансформатора, показано на рисунке, при этом ток проводят диоды VD1 и VD3, а другие диоды находятся под обратным напряжением. В следующий полупериод ток проводят диоды VD2 и VD4. Ток в нагрузке всегда идет от точки 1 к точке 2, от зажима «+» выпрямителя к зажиму «—».
Трехфазная нулевая схема (рис. 2. 5, б) состоит из 3 вентилей, аноды которых присоединяются к выводам вторичной обмотки трансформатора, соединенной звездой, а катоды присоединяются общей точкой к нагрузке. Второй зажим нагрузки присоединяется к нулевой точке вторичной обмотки трансформатора. Ток через вентиль проходит в течение трети периода, а потом переходит на другой вентиль.
Пульсации выпрямленного напряжения в данной схеме меньше, чем в однофазной мостовой.
В трехфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 2. 5, в) применяются шесть вентилей, образующих две группы: 3 вентиля с общим анодным выводом, а 3 — с общим катодным выводом. Нагрузка присоединяется к этим общим выводам. При активной нагрузке в любой момент времени ток проходит через два вентиля из разных групп. Пульсации выпрямленного напряжения в данной схеме меньше, чем в трехфазной нулевой.
В выпрямительных установках диоды вместе с охладителями входят в состав модулей, а модули входят в состав выпрямительного блока кассетного типа.
Применяется воздушное или жидкостное охлаждение диодов.
При воздушном охлаждении для приборов на токи 10... 25* А применяют охладители в виде пластин, а для более мощных приборов — специальные радиаторы.
Воздушное охлаждение бывает естественным и принудительным.
При естественном охлаждении из-за худших условий охлаждения по сравнению с принудительным охлаждением нагрузку приборов приходится снижать на 40%.
Принудительное охлаждение производится с помощью вентиляторов.
При жидкостном охлаждении в индивидуальных или групповых охладителях циркулирует вода, подаваемая насосами.
В тиристорных установках на токи 25, 50, 100 А применяется один шкаф для всех узлов установки, например, шкаф КТЭ. В его состав входят рама с автоматическими выключателями, кассеты системы регулирования, кассета системы защиты и сигнализации, блок питания, силовой тиристорный блок, измерительные приборы, устройства сигнализации.
Тиристорный агрегат AT на ток до 500 А состоит из шкафа вводного устройства и трансформатора, шкафа преобразователя, шкафа с автоматическим выключателем и реактором. Шкафы имеют приборы измерения напряжения и тока, приборы сигнализации.
На надежность выпрямительного устройства влияет качество монтажа. При монтаже надо обратить внимание на затягивание зажимов токоведущих частей, не допуская в то же время деформации металла в месте соединения. Как правило, агрегаты общепромышленных установок предназначены для работы в помещениях при температуре окружающего воздуха 1... 50 С, относительной влажности воздуха не более 85... 90% при+ 20 С или 50% при +40 С, отсутствии в помещении агрессивных газов и паров. Агрегаты монтируют на перекрытиях или полах с креплением болтами, причем отклонение от вертикали должно быть не более 5 угл град.
После монтажа агрегата производится наладка его блоков.
Сопротивление изоляции в силовых цепях измеряется мегаомметром на напряжение 2, 5 кВ и должно быть не менее 50 МОм, в цепях управления — мегаомметром на 0, 5 кВ и должно быть не ниже 0, 5 МОм.
Основным условием правильной работы агрегата является обеспечение строгой последовательности управляющих импульсов на электродах соответствующих тиристоров, что достигается фазировкой системы управления. Фазировка осуществляется с помощью осциллографа по инструкции.
При работе вентилей имеют место перенапряжения не только при аварийных режимах, но и при обычной работе. Это объясняется тем, что цепи с вентилями имеют реактивные элементы в виде дросселей и конденсаторов, в которых происходят колебания напряжения при переходе тока с вентиля на вентиль. Так как этот переход тока происходит непрерывно, то непрерывно происходят и колебания напряжения. Вследствие этого на вентилях могут быть перенапряжения, представляющие для них опасность. Перенапряжения могут происходить и при переключениях автоматами и контакторами.
Неисправности выпрямительных установок и методы их устранения приведены в инструкциях по эксплуатации. Некоторые неисправности установок приведены в табл.2. 22.
Таблица 2.22 НЕИСПРАВНОСТИ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Рис. 2.5. Схемы выпрямителей:
Таблица 2.22 НЕИСПРАВНОСТИ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
2.9. Электрические аппараты
2.9. Электрические аппараты
Рубильники и переключатели
Рубильники и переключатели служат для замыкания и размыкания вручную электрических цепей переменного тока напряжением до 500 В и постоянного тока напряжением до 440 В. Они устанавливаются на панелях распределительных устройств, в шкафах и ящиках.
Технические данные рубильников и переключателей приведены в табл. 2. 23.
Первая цифра в обозначении аппарата соответствует числу полюсов, вторая соответствует его величине по току: 1 —
100 А, 2 — 250 А, 4 — 400 А, 6 — 600 А. В таблице показаны только аппараты на 100 А.
Рубильники Р и переключатели П изготовляются без дугогасительных камер и могут работать только в качестве разъединителей, т. е. размыкать обесточенные электрические цепи. Рубильники и переключатели прочих типов изготовляются с дугогасительными камерами и могут коммутировать электрические цепи под нагрузкой.
Таблица 2. 23 ДАННЫЕ О РУБИЛЬНИКАХ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ
Плавкие предохранители
Предохранители предназначены для защиты электрооборудования и сетей от токов короткого замыкания и недопустимых длительных перегрузок.
Данные плавких предохранителей массового применения показаны в табл. 2. 24. Данные предохранители имеют кварцевое заполнение корпуса в виде кварцевого песка, у предохранителей НПН стеклянный корпус круглого сечения, а у ПН2 — фарфоровый корпус прямоугольного сечения.
Таблица 2. 24 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
Автоматические выключатели (автоматы)
Автоматы предназначены для защиты от токов короткого замыкания и перегрузки электрических линий и приемников энергии, для включений и отключений линий и приемников энергии.
Данные выключателей массового применения приведены в табл. 2.25.
Выключатель АК63 разработан с целью замены выключателя АП—50, имеющего малую коммутационную способность. Выключатель имеет расцепители максимального тока на 0, 63... 63 А, 500 В переменного и 220 В постоянного напряжения, его коммутационная способность в 2, 5 раза больше, чем у выключателя АП50.
В отличие от выключателей АП50 выключатели АК63 имеют открытые выводы, для закрывания которых могут поставляться крышки. Открытые выводы, не соприкасающиеся с корпусом выключателя, имеют лучший теплоотвод, а при нагреве выводов не происходит выгорания корпуса выключателя.
Автоматические выключатели АЕ2000 разрабатывались с целью замены всех других выключателей на ток до 100 А. Они имеют величины на 25, 63 и 100 А с расцепителями максимального тока на 0, 6 А и выше, тепловыми и комбинированными расцепителями.
Выключатели серии АЕ1000 предназначены для защиты участков сетей жилых и общественных зданий. Они являются
Таблица 2. 25 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Примечание: выключатели без расцепителя обозначаются цифрой 7 (например, А3114/7).
Продолжение табл. 2. 25
Окончание табл. 2.25
однополюсными с расцепителями тепловыми, электромагнитными или комбинированными на токи 6, 10 и 16 А.
Расцепитель любого автоматического выключателя представляет собой блок, встроенный в корпус выключателя и предназначенный для отключения выключателя под действием тока, большего того, на который он настроен.
Действие теплового расцепителя основано на изменении формы биметаллической пластинки при протекании по ней тока нагрузки выключателя, большего номинального тока этого выключателя. Пластинка действует на механизм выключения выключателя.
Электромагнитный расцепитель состоит из электромагнитов, по катушкам которых проходит ток выключателя. Электромагниты приводятся в действие только при токе аварийной перегрузки, например, заклинивания механизма, или токе короткого замыкания, и воздействуют на механизм отключения выключателя.
Комбинированный расцепитель содержит расцепители обоих видов.
Для выключателя данной величины может быть несколько расцепителей, имеющих свои разные номинальные токи, которые могут регулироваться. Уставка на ток мгновенного срабатывания, или ток отсечки, означает, что при данном токе срабатывает электромагнитный расцепитель данного выключателя.
Предельная коммутационная способность означает предельный ток, который может отключить выключатель.
Магнитные пускатели
Магнитные пускатели предназначены для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором и другими приемниками энергии.
Включение магнитных пускателей может производиться вручную с помощью кнопочного поста и автоматически с помощью датчиков автоматики непосредственно или через промежуточные реле, с помощью блок-контактов других пускателей. Отключение пускателей производится вручную или при аварийных режимах с помощью реле тепловых или реле максимального тока, при отключении сблокированных с ними других пускателей, при действии устройств автоматики.
Данные некоторых пускателей приведены в табл. 2. 26. Пускатели типа ПМЕ и ПА в таблице только нереверсивные. У реверсивных пускателей данные те же, но они состоят из двух
пускателей, сблокированных механически и электрически против одновременного включения, а в обозначении типа реверсивных пускателей последняя цифра больше на два, например, ПМЕ—111 — нереверсивный, ПМЕ—113 — реверсивный.
Пускатели ПМЕ и ПА заменяются пускателями типов ПМЛ и ПАЕ — см. табл. 2. 27, 2. 28, 2. 29.
Таблица 2. 2 6 МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ
Таблица 2. 27 ДАННЫЕ ПУСКАТЕЛЕЙ ПМЛ И ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ РТЛ
Таблица 2.28 СТРУКТУРА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ МАГНИТНЫХ ПУСКАТЕЛЕЙ СЕРИИ ПАЕ
Таблица 2.2 9 ДАННЫЕ СИЛОВОЙ ЦЕПИ МАГНИТНЫХ ПУСКАТЕЛЕЙ СЕРИИ ПАЕ
Тепловые реле
Данные тепловых реле приведены в табл. 2. 30.
Таблица 2. 30 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ
Окончание табл. 2 30
Тепловые реле могут поставляться в блоке с пускателями или отдельно.
Тепловые реле предназначены для защиты от перегрузок асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Так как они не защищают от коротких замыканий и сами нуждаются в такой защите, то на ответвлении к электродвигателю перед пускателем ставится автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем.
Чувствительным элементом у реле служит термобиметалл, по которому проходит ток. У реле на большие токи имеется нихромовый нагреватель для дополнительного нагрева биметалла.
Чувствительные элементы реле включаются в две фазы электродвигателя, контакты реле включаются в цепь катушки пускателя.
Реле максимального тока
Токовые реле, или реле максимального тока, применяются для защиты асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от внезапных перегрузок при заклинивании приводимого механизма, например, дозатора муки, ротора дробилки и т. д.
В качестве максимального реле применяются электромагнитные реле с последовательным присоединением обмоток в цепь двигателя.
Технические данные некоторых реле приведены в табл. 2. 31.
Таблица 2. 31 МАКСИМАЛЬНЫЕ РЕЛЕ
Выбор электрических аппаратов для замены вышедших из строя
На практике приходится заменять электрические аппараты любого вида. Замена требуется, когда аппарат вышел из строя полностью или когда ремонт на месте не возможен.
С течением времени меняется ток, проходящий через аппараты с изменением нагрузки от приемников энергии, заменой электродвигателей и т. д., что также влечет за собой замену аппаратов.
В таких случаях необходимы рекомендации по выбору аппаратов.
Прежде всего, степень защиты аппарата должна соответствовать условиям той среды, где он будет работать.
Номинальный ток аппарата должен быть не меньше расчетного тока нагрузки, напряжение аппарата должно соответствовать напряжению сети, где он будет применяться.
Аппараты должны быть устойчивы к току короткого замыкания, который может через них проходить, а те аппараты, которые должны отключать этот ток, должны быть устойчивы при его отключении.
Номинальный ток плавкой вставки предохранителя должен быть не меньше расчетного тока цепи, т. е. Iв>Iр.
Плавкая вставка не должна перегорать при нормальных перегрузках на данном ответвлении, например, при пусковых токах двигателей.
Предохранители не желательно устанавливать на ответвлении к одному двигателю для защиты его от тока короткого замыкания, так как при перегорании одной вставки двигатель выйдет из строя при работе на двух фазах.
Ток вставки на ответвлении, где более одного двигателя,
Iв=( Iр + Iп)/2.5
где Iр — расчетный ток ответвления, Iп — пусковой ток наиболее мощного двигателя. При тяжелых условиях пуска в знаменателе вместо 2,5 нужно ставить 1,6...2.
Плавкие вставки, установленные последовательно в сети, должны работать селективно, т. е. должна перегорать вставка, установленная ближе к месту короткого замыкания, а не наоборот. Для этого практически нужно, чтобы ток вставки, расположенной ближе к месту короткого замыкания, был на одну-две ступени ниже по шкале номинальных токов вставок.
Для автоматических выключателей номинальный ток расцепителя должен быть не меньше расчетного тока цепи, т. е. Iн,расц>=Iр- Автоматический выключатель не должен отключать установку при нормальных перегрузках.
Ток уставки регулируемого теплового расцепителя должен быть равен 1,25 расчетного тока цепи, т. е. Iуст, тепл = 1.25Iр.
Ток уставки регулируемого электромагнитного расцепителя должен быть пропорционален току наибольшей кратковременной перегрузки:
Iуст.эл-магн=1.25Iпер
Автоматы для защиты асинхронных двигателей должны удовлетворять следующим условиям.
Для двигателей повторно-кратковременного режима при ПВ = 25% или длительного режима с легкими условиями пуска
/н, а >Iн.дв Для двигателей, работающих в напряженном повторно-кратковременном режиме и для двигателей с длительным режимом работы с тяжелыми условиями пуска Iн, а>1,5Iн дв, где Iн,а — номинальный ток автомата, Iн,дв — номинальный ток двигателя.
Ток уставки электромагнитного элемента должен соответствовать:
для двигателя с короткозамкнутым ротором
Iуст, эл-магн> (1.5...1,8)Iп, для двигателя с фазовым ротором
Iуст , эл-магн > (2,5...3)Iн,дв,
где Iп — пусковой ток двигателя.
Аппараты защиты по своей отключающей способности должны соответствовать току короткого замыкания при замыкании в ближайшей точке за аппаратом. Все аппараты должны быть защищены от замыканий внутри них предохранителями или автоматами.
Реле тепловое выбирают так, чтобы максимальный ток продолжительного режима реле с данным тепловым элементом был не менее номинального тока защищаемого двигателя, ток уставки реле был равен номинальному току защищаемого двигателя, запас регулировки тока уставки на шкале реле должен быть небольшим, особенно в сторону увеличения, т. к. при большом запасе регулировки в сторону увеличения возможно загрубление защиты, когда реле не будет работать.
Монтаж и наладка электрических аппаратов
Аппараты, имеющиеся в наличии для замены вышедших из строя, часто не подходят по месту установки. Прежде всего может не подходить расположение мест крепления. Тогда приходится на месте установки аппарата делать новые отверстия для крепления, исходя из имеющихся средств. В металле отверстия могут быть сделаны пробиванием, сверлением ручной или электрической сверлильной машиной, газовой или электрической сваркой, в дереве — сверлением буравами, сверлильной машиной, в стенах или перегородках из каменных материалов — шлямбурами или сверлильными машинами с применением сверл с твердыми наконечниками. При этом для ввертывания винтов в отверстия забиваются деревянные пробки.
Может случиться, что новый аппарат по размерам не подходит в данном месте. Тогда его нужно укрепить в другом доступном месте, применив для присоединения другие провода или кабели. В случае необходимости для установки аппарата можно установить дополнительное основание, раму или каркас.
При установке аппарата в новом месте нужно обеспечить его доступность для осмотра и ремонта, доступность винта зануления (заземления), свободное открывание крышки корпуса.
Следует учесть, что предохранители типов НПН и ПН2 не являются взаимозаменяемыми по способу установки, поэтому при их взаимной замене нужно менять и устройства их фиксации — контактные стойки.
Защитные реле монтируют на вертикальной панели обычно под тем пускателем, на отключение которого они воздействуют. Если пускатель смонтирован в отдельном ящике, где предусмотрено место для реле теплового, то оно монтируется там же.
Реле тепловые типа РТН монтируют зажимами цепи управления вверх. Реле типа ТРП—25 монтируют зажимами цепи управления вниз, а остальные реле этого типа — зажимами цепи управления вверх. Между металлическим основанием и корпусом реле ТРП—25 ставят изолирующую прокладку.
Не гарантируется срабатывание реле в нужный момент, если:
рядом с реле (особенно под ним) размещен аппарат или прибор, выделяющий дополнительное тепло (резистор, реостат),
реле смонтировано в верхних, наиболее нагреваемых частях ящиков и шкафов,
реле и защищаемый двигатель установлены в местах, где значительная разница температур окружающей среды.
После монтажа аппаратов производят их наладку, в которую входят внешний осмотр, проверка работы аппаратов без напряжения, проверка схем управления, сигнализации и блокировки, измерение сопротивления изоляции, опробование работы аппаратов и схем под напряжением.
Внешний осмотр
При внешнем осмотре проверяют:
завершение всех монтажных работ;
соответствие установленных аппаратов и приборов току нагрузки защищаемого электроприемника и условиям его работы;
соответствие напряжении обмоток реле и катушек аппаратов напряжению сети;
исправность тепловых элементов реле и соответствие их току защищаемого двигателя;
отсутствие вблизи реле теплового дополнительных источников нагрева;
отсутствие механических повреждений;
правильность установки аппаратов и надежность их крепления;
состояние всех контактов аппаратов, отсутствие пыли, грязи, ржавчины, особенно в местах прилегания якоря и сердечника магнитопровода;
целость заземляющей проводки от аппаратов до мест присоединения к общей сети заземления (зануления);
отсутствие прокладок, подвязок, ограничивающих ход подвижных деталей аппаратов при транспортировке;
отсутствие перекосов контактов и подвижных механических частей, их свободный ход;
наличие и исправность возвратных пружин подвижных систем;
наличие растворов и провалов у глазных контактов и блок-контактов (см. п. 2.9.9). Величины растворов и провалов должны соответствовать прикладываемой к аппарату инструкции.
У реверсивных пускателей проверяют работу механической блокировки против одновременного срабатывания двух контакторов.
Проверка аппаратов
Аппарат отсоединяется от электрической схемы и измеряется сопротивление изоляции его токоведущих частей. Если монтаж и наладку производит один и тот же электрик, то сопротивление изоляции можно измерять до присоединении аппарата к электрической- схеме.
Проверка аппаратов на механическую регулировку включает операции по проверке и устранению замеченных отклонений от нормы:
проверка плотности прилегания якоря к ярму;
проверка крепления демпферных витков;
при необходимости зачистка главных контактов и блок-контактов;
проверка отсутствия трения между контактами и дугогасительными камерами;
проверка крепления катушки;
проверка растворов и провалов главных контактов и при необходимости их регулировка, проверка одновременности замыкания главных контактов, проверка их нажатия.
При механической регулировке производится затяжка всех гаек, винтов, установка недостающих деталей.
Проверка электромагнитных элементов автоматов и токовых реле, тепловых элементов автоматов и тепловых реле производится при их нагрузке током на специальных стендах опытными специалистами. Этими же специалистами проверяются схемы управления, сигнализации и блокировки.
Влияние контактов и контактных соединений на работу электроаппаратов
Контакты определяют коммутационную способность аппарата, производящего коммутационные операции. Коммутационными операциями называются операции включения и отключения аппаратов. Операции имеют обозначение, например, О — отключение, В — включение.
Коммутационной способностью аппарата называется его способность произвести определенное число коммутационных операций при сохранении работоспособности. Например, для автомата коммутационными операциями являются О—ВО—ВО. Обычно рассматривается предельная коммутационная способность при верхнем пределе коммутируемого тока. Но аппарат может не коммутировать ток, по величине ниже некоторого предельного, и в этом случае существует интервал критических значений токов.
На коммутационную способность аппарата влияет и характер нагрузки коммутируемой цепи. В цепях, содержащих индуктивность и емкость, происходит накопление энергии на индуктивности и емкости, и при разрыве цепи контактами аппарата происходят перенапряжения, что выражается в повышенном искрообразовании от дуги. Поэтому в цепях с такой нагрузкой коммутационная способность контактов ниже.
Повторно-кратковременный режим работы электроприемника, управляемого данным аппаратом, отрицательно влияет на контакты, так как происходит частое возникновение дуги при пусковом токе, что увеличивает износ контактов.
Приведем определения некоторых величин, относящихся к контактам.
Раствор контактов — кратчайшее расстояние между контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов в разомкнутом положении. Начальное нажатие контакта — нажатие пружин на контакт при разомкнутом положении контактов.
Конечное нажатие контакта — нажатие в момент окончания замыкания подвижного контакта с неподвижным.
Провал контакта — расстояние, на которое может сместиться место конечного касания подвижного контакта с неподвижным из положения полного замыкания, если будет удален жестко закрепленный контакт (подвижный или неподвижный). Значения вышеприведенных величин приведены в табл. 2. 32.
Таблица 2.32 ВЕЛИЧИНЫ РАСТВОРА И НАЖАТИЯ КОНТАКТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Раствор контактов в аппарате делается таким, чтобы не было затяжной дуги при отключении. Для исключения повторного замыкания контактов после удара механизма об упор при отключении раствор контактов делают не менее 2 мм.
На прохождение тока через контакты оказывает влияние переходное сопротивление в месте касания контактов, обусловленное наличием пленок окислов на поверхности контактов.
Большое значение в предотвращении образования пленок окислов имеет нажатие на контакты, так как оно препятствует проникновению воздуха в места контакта, разрушает пленки, снижает переходное сопротивление контактов и уменьшает их нагрев.
При наладке аппарата проверяют плотность крепления неподвижных контактов, плотность прилегания к ним подвижных контактов во включенном положении. Определение силы конечного нажатия контактов пускателя ПМЕ-211 показано на рис. 2. 6, а. Предварительно для безопасности отключается напряжение с контактов силовой цепи, потом к подвижному контакту присоединяется динамометр, например, с помощью лески, и пускатель включается. Предварительно под подвижный контакт ложится полоска тонкой бумаги. Подвижный контакт оттягивается с помощью динамометра по линии, перпендикулярной плоскости касания контактов, пока полоска бумаги не будет свободно выниматься, и в этот момент динамометр покажет силу нажатия контактов.
Определение силы начального нажатия контактов показано на рис. 2. 6, б. Полоска бумаги подкладывается под пластинчатую пружину над контактом, пускатель не включается, и контакт так же оттягивается через динамометр, пока не вынется полоска бумаги, и в этот момент определяется сила начального нажатия контакта.
Недостаточное начальное нажатие приводит к оплавлению и привариванию контактов, а чрезмерное нажатие — к нечеткому срабатыванию контактора пускателя.
При длительном прохождении тока через контакты они нагреваются тем больше, чем больше переходное сопротивление, а медные контакты также окисляются, поэтому аппараты с медными контактами для длительной работы не применяются. С увеличением нагрева контактов переходное сопротивление в месте касания контактов увеличивается до размягчения материала контактов. При размягчении увеличиваются площадки касания контактов, и сопротивление уменьшается. При достижении контактной точкой температуры плавления происходит дальнейшее уменьшение переходного сопротивления, уменьшается количество выделяемой теплоты и место контакта охлаждается, увеличиваются силы сцепления материала контактов. Если эти силы больше, чем разъединяющие силы при отключении аппарата, то его нельзя отключить, что говорит о приваривании контактов. Их можно разъединить только после снятия напряжения с аппарата механическим воздействием.
На работу аппаратов влияют различные контактные соединения, которыми они присоединяются к сети, и соединения проводников в сети.
На рис. 2. 7 показаны разборные контактные соединения;
а-г — алюминиевых проводников с выводами аппаратов, д — соединения алюминиевых шин, е-з — медных проводников с выводами аппаратов.
Особенностью алюминия является то, что он образует на поверхности деталей пленку, которая тугоплавка и обладает большим сопротивлением для тока. Поэтому перед соединением алюминиевые проводники защищаются под слоем кварцевазелиновой пасты, которая затем обтирается и проводники сразу соединяются.
Другой особенностью алюминия является текучесть при зажатии гайкой в зажиме, поэтому для присоединения кольца из провода применяются специальные шайбы — звездочки 3 при сечении провода до 10 мм2, при большей площади сечения применяются алюминиевые наконечники и тарельчатые шайбы 6. При отсутствии таких шайб может быть применена вторая гайка — контргайка.
С учетом отрицательного влияния соединений медь—алюминий на состояние контакта выводы аппаратов делают лужеными, а если они не луженые, то соединения медь—алюминий не применяются в сырых помещениях, если аппараты не герметичны.
Рис. 2.7. Разборные контактные соединения:
а) -д) присоединения алюминиевых проводников: а), б), в) — присоединения к плоским выводам электрических аппаратов; а) присоединение провода, согнутого на конце в кольцо: 1 — винт, 2 — шайба пружинная, 3 — шайба-звездочка; б), в) 4 — болт, 5 — гайка, 6 — шайба тарельчатая, 7 — шайбы, 8 — наконечники; г) присоединение к штыревому выводу: 9 — шпилька; д) соединение алюминиевых шин; е), ж) присоединение медных проводников к плоским выводам аппаратов; е) присоединение провода, согнутого на конце в кольцо: 1— винт, 2 — шайба пружинная, 3 — шайба; ж) 4— болт, 5 — гайка, 6 — шайба пружинная, 7 — шайба; я) гнездовой зажим.
Для присоединения конца медного провода в виде кольца или с наконечником применяется шайба и пружинная шайба, а при отсутствии пружинной шайбы применяется контргайка.
На рис. 2.8 показаны неразборные соединения пайкой — а, прессованием — б,г, сваркой — в, д.
Рис. 2. 8. Неразборные соединения:
о) паяные соединения медных проводов. Подготовка к панке: 1 — проводов, 2 — присоединения провода к выводу; 1, 2 — готовые соединения; б) оконцевание трубчатым наконечником прессованием; в) оконцевание литым наконечником сваркой: 1 — вверху — наконечник после прессования, внизу — он же, покрытый изолентой, 2 — то же литой наконечник; г) соединение проводов прессованием. 3 — гильза; д) соединение проводов сваркой: 4 — форма; б)-д): 5 — изолента.
На рис. 2.9 показано разъемное контактное соединение для трехфазной сети. Такие соединения применяют для присоединение кабелей передвижных машин и инструментов к источнику питания. При этом для безопасности нужно помнить, что часть соединения, содержащая гнезда, присоединяется к источнику питания, стержень 1 для заземления или зануления всегда длиннее других, чтобы при соединении разъема этот стержень входил в гнездо первым, подготавливая цепь заземления или зануления, а при рассоединении выходил последним, когда силовая цепь уже рассоединена. Для предотвращения рассоединения разъема или ослабления контактов должен быть специальный замок, предотвращающий рассоединение.
На таком же принципе устроены разъемы для однофазной сети с двумя рабочими контактами и одним зануляющим или заземляющим, или просто с двумя контактами, в том числе и обычные розетки с вилками.
Нужно постоянно следить за контактами аппаратов, разъемов и соединений, так как от их состояния зависит надежность работы электроустановок.
Неисправности электрических аппаратов
Основные неисправности электрических аппаратов приведены в табл. 2.33.
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Продолжение табл. 2.33
Продолжение табл. 2.33
Продолжение табл. 2.33
Продолжение табл. 2.33
Окончание табл. 2.33
Примечание. Несимметрия питающего напряжения обычно выражается в понижении напряжения одной из фаз. Причиной часто является сгорание зажима или перегорание предохранителя в сети до того места, где эта несимметрия ощущается. Место повреждения можно найти, измеряя напряжения в фазах относительно земли, двигаясь по направлению к питающему трансформатору. Если неисправность на участке другой службы, то об этом сообщается электрикам этой службы.
Рис. 2.10. Отсутствие касания контактов пускателя:
а) наличие препятствия между контактами; 6) контакты отпаялись от мостика.
Рис. 2.11. Неплотное прилегание якоря электромагнита пускателя:
1 — воздушный зазор.
Рис. 2.12. Неисправности кнопочного поста управления типа ПКЕ—222—2У2 — заклинивание кнопки «Ход» во включенном положении и замыкание неподвижных контактов кнопки «Стоп» по пластмассовому корпусу: 1 — место замыкания
Рис. 2.13. Автомат не отключается и его нельзя подготовить к включению — препятствие ходу рукоятки автомата при отводе ее назад.
Рис. 2.14. Нож рубильника не входит в контактную стойку.
Рис. 2.9. Принцип ycтройства разъемною контактного соединения.
1 — зануляющий (заземляющий) стержень с гнездом, 2 — силовые стержни с гнездами, 3 — изоляционные распорные диски, 4 —- замок, 5 — жили кабеля, б — корпус половины разъема.
Рис. 2.10. Отсутствие касания контактов пускателя:
Рис. 2.11. Неплотное прилегание якоря электромагнита пускателя:
Рис. 2.12. Неисправности кнопочного поста управления типа ПКЕ—222—2У2 — заклинивание кнопки «Ход» во включенном положении и замы
Рис. 2.13. Автомат не отключается и его нельзя подготовить к включению — препятствие ходу рукоятки автомата при отводе ее назад.
Рис. 2.14. Нож рубильника не входит в контактную стойку.
Рис. 2.6. Контакты пускателя ПМЕ-211
Рис. 2.7. Разборные контактные соединения
Рис. 2.8. Неразборные соединения
Рис. 2.9. Принцип ycтройства разъемною контактного соединения.
Таблица 2.23 ДАННЫЕ О РУБИЛЬНИКАХ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ
Таблица 2.24 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
Таблица 2.25 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (окончание)
Таблица 2.25 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (продолжение)
Таблица 2.25 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Таблица 2.26 МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ
Таблица 2.27 ДАННЫЕ ПУСКАТЕЛЕЙ ПМЛ И ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ РТЛ
Таблица 2.28 СТРУКТУРА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ МАГНИТНЫХ ПУСКАТЕЛЕЙ СЕРИИ ПАЕ
Таблица 2.29 ДАННЫЕ СИЛОВОЙ ЦЕПИ МАГНИТНЫХ ПУСКАТЕЛЕЙ СЕРИИ ПАЕ
Таблица 2.30 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ (окончание)
Таблица 2.30 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЛЕ
Таблица 2.31 МАКСИМАЛЬНЫЕ РЕЛЕ
Таблица 2.32 ВЕЛИЧИНЫ РАСТВОРА И НАЖАТИЯ КОНТАКТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (окончание)
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (продолжение 1)
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (продолжение 2)
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (продолжение 3)
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (продолжение 4)
Таблица 2.33 ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
2.10. Электрические машины
2.10. Электрические машины
2.10.1. Общие понятия
2.10.1. Общие понятия
Электрическая машина является электромеханическим преобразователем, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую или электрическая энергия в механическую.
В зависимости от рода отдаваемого или потребляемого тока электрические машины разделяются на машины переменного и постоянного тока.
Машины переменного тока делятся на синхронные, асинхронные и коллекторные.
В синхронной машине поле возбуждения создается обмоткой, расположенной на роторе и питающейся постоянным током. Обмотка статора соединяется с сетью переменного тока. Обращенная схема, когда обмотка возбуждения расположена
на статоре, встречается редко. В синхронной машине обмотка, в которой индуцируется ЭДС и протекает ток нагрузки, называется обмоткой якоря, а часть машины с этой обмоткой называется якорем. Часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, называется индуктором.
Синхронные машины применяются в качестве генераторов и двигателей.
В асинхронной машине поле создается в обмотке статора и взаимодействует с током, наводимым в обмотке ротора.
Среди асинхронных машин коллекторными являются однофазные двигатели малой мощности.
Асинхронные машины применяются в основном в качестве двигателей.
Машина постоянного тока по своему конструктивному выполнению сходна с обращенной синхронной машиной, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре. Большинство машин постоянного тока коллекторные. Они могут работать в качестве генераторов или двигателей.
По мощности электрические машины можно разделить на следующие группы.
Машины большой мощности:
коллекторные машины мощностью более 200 кВт;
синхронные генераторы мощностью более 100 кВт;
синхронные двигатели мощностью более 200 кВт;
асинхронные двигатели мощностью более 100 кВт при напряжении более 1000 В.
Машины средней мощности:
коллекторные машины мощностью 1...200 кВт;
синхронные генераторы мощностью до 100 кВт, в том числе высокоскоростные мощностью до 200 кВт;
асинхронные двигатели мощностью 1...200 кВт;
асинхронные машины мощностью 1...400 кВт при напряжении до 1000 В, в том числе двигатели единых серий от 0,25 кВт.
К группе машин малой мощности относятся следующие электрические машины, не входящие в первые две группы:
двигатели постоянного тока коллекторные и универсальные;
асинхронные двигатели, синхронные двигатели и др.
2.10.2. Асинхронные машины
2.10.2. Асинхронные машины
Схема асинхронной машины показана на рис. 2. 15. В схеме асинхронной машины и ее принципе действия есть сходство с трансформатором. Отличие заключается в том, что вторич ная обмотка размещается на вращающемся роторе и не связана с внешней сетью. На схеме рис. 2. 15, а эта обмотка состоит из стержней, замкнутых накоротко, что соответствует двигателю с короткозамкнутым ротором, а в двигателях с фазовым ротором она соединяется с внешними сопротивлениями — рис. 2. 15, б.
Рис. 2. 15. Схемы асинхронной машины:
а) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; 6) асинхронный двигатель с фазным ротором; 1 — обмотки статора, 2 — ротор с короткозамкнутыми стержнями, 2 — обмотки фазного ротора, 3 — контактные кольца, 4— сопротивления в цепи фазного ротора.
Обмотка статора равномерно распределена по его окружности. Обмотки фаз статора соединяются в звезду или в треугольник.
При питании трехфазной обмотки статора трехфазным током, создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого
n1=60f1/p
где f1 — частота тока питающей сети, Гц, р — число пар полюсов обмотки статора.
Вращающийся магнитный поток Ф индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС E1 и E2. Под действием ЭДС E2, в обмотке ротора возникает ток I2 при взаимодействии которого с магнитным полем создается электромагнитный вращающий момент М. Величина ЭДС ,E2; и частота ее изменения f2 зависят от скорости пересечения магнитным полем статора Ф витков обмотки ротора. Частоту вращения поля ротора обозначим n2.
Частота пересечения магнитным полем статора обмотки ротора является относительной частотой поля статора относительно ротора и равна разности n1— n2. Если разность равна 0, то нет движения поля статора относительно ротора, нет ЭДС E2 и тока I2 и вращающего момента М. При увеличении разности n1 — n2 величины E2, l2, f2 и М увеличиваются.
Условием работы асинхронной машины является неравенство частот вращения поля статора и ротора, поэтому машина и называется асинхронной, т. е. несинхронной.
Относительная разность частот вращения поля статора и ротора
s=n1-n2/n1
называется скольжением. Выражение частоты вращения ротора через скольжение:
n2 =n1(1-s).
Асинхронные электродвигатели. Серии двигателей.
Первая серия асинхронных электродвигателей — серия А — была разработана в 1946-1949 гг. Она состояла из семи габаритов в диапазоне мощностей от 0,6 до 100 кВт. В серии предусмотрены защищенные двигатели типа А и впервые — закрытые обдуваемые типа АО. В серии был предусмотрен ряд модификаций по конструкции и характеристикам.
Обозначения в данной серии следующие.
Защищенное исполнение.
Оболочка чугунная — А, алюминиевая — АЛ.
Закрытое обдуваемое исполнение.
Оболочка чугунная — АО, алюминиевая — АОЛ.
Пример обозначения: А031-4, А032-4, где цифры обозначают:
3 — габарит, или наружный размер статора;
1 и 2 — длина машины;
4 — число полюсов.
Новая серия А2 была разработана в 1957-1959 гг. с учетом рекомендаций Международной электротехнической комиссии (МЭК). Серия состояла из девяти габаритов двигателей с высотами оси вращения от 90 до 280 мм, шкалы мощностей из 19 ступеней от 0,6 до 100 кВт.
Обозначения двигателей серии А2 такие же, как и серии А, только после А стоит цифра 2.
Для различных условий работы имеются модификации двигателей.
По исполнению двигатели могут быть в химостойком А02...Х, влагоморозостойком А02...ВМ, сельскохозяйственном А02...СХ исполнениях.
Другие модификации обозначаются:
П — двигатели с повышенным пусковым моментом;
С — с повышенным скольжением;
К — с фазным ротором.
Электродвигатели с повышенным скольжением предназначены для привода механизмов с большими массами и неравномерным ударным характером нагрузки, с большой частотой пусков и реверсов. Двигатели не имеют твердой шкалы мощностей.
Рис. 2.16. Схемы присоединения выводных концов многоскоростных электродвигателей для получения различных частот вращения:
Цифры под схемами показывают количество полюсов обмотки, получаемое при данной схеме. Буквы под схемами означают: А-Г— двухскоростные двигатели, Д, Е — трехскоростные двигатели, Ж — четырехскоростные двигатели.
Многоскоростные электродвигатели предназначены для привода механизмов со ступенчатым регулированием частоты вращения и не имеют твердой шкалы мощностей. Схемы включения многоскоростных электродвигателей приведены на рис. 2.16.
Цифры под каждой схемой означают число полюсов обмотки статора, которое соответствует данной схеме и определяет синхронную частоту вращения двигателя. Как известно, синхронная частота вращения двигателя, т. е. частота вращения магнитного поля статора
n=60f /p
где f= 50 Гц — частота сети, р — число пар полюсов.
По этой формуле можно определить синхронную частоту вращения двигателя для каждой схемы включения при известном числе пар полюсов, соответствующих данной схеме включения многоскоростного двигателя.
Номера подшипников двигателей данной серии приведены в табл. 2.34.
Таблица 2.34 ПОДШИПНИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ А02
Примечание: способы монтажа: М10 — на лапах, М20 — на лапах и с фланцем, МЗ0 — с фланцем.
Электродвигатели серии 4А
На основе международных рекомендаций в странах — членах бывшего Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) в 1969—1972 гг. были разработаны новые серии электродвигателей, а в СССР — серия 4А.
Серия включает все двигатели общего назначения мощностью до 400 кВт напряжением до 1000 В. В серии повышена мощность двигателей при тех же высотах оси вращения на 2...3 ступени по сравнению с двигателями серии А02 за счет применения новых материалов и рациональной конструкции. Впервые в мировой практике в серии были стандартизированы показатели надежности. Серия имеет модификации и специализированные исполнения. По степени защиты предусмотрены исполнения IP44 и IP23.
Пример обозначения типа двигателя:
4АН200М4УЗ,
где 4 — номер серии, А — асинхронный, Н — степень защиты IP23, для закрытых двигателей обозначение не дается, далее может быть буква А, означающая алюминиевые станину и щиты, х — алюминиевая станина и чугунные щиты, если станина и щиты чугунные, никакого обозначения не дается, 200 — высота оси вращения, мм, М или S, L — условная длина станины.
Далее возможны буквы А или В, обозначающие длину сердечника статора, отсутствие букв означает одну длину в установочном размере, 4 — число полюсов, У — для умеренного климата, 3 — категория размещения.
Специализированные исполнения двигателей по условиям окружающей среды:
тропического исполнения Т, буква ставится после числа полюсов, например, 4A132S2T2, категории размещения 2 и 5;
для районов с холодным климатом исполнения ХЛ, например, 4А132S2ХЛ2, категории размещения 2 и 5;
химически стойкого исполнения X, например, 2А90L2ХУ5, категории размещения 3 и 5;
сельскохозяйственного исполнения СХ, например, 4А160М4 СХУ2, категории размещения 1—5.
Технические данные некоторых двигателей серии 4А приведены в табл. 2.35.
Модификации двигателей:
двигатели с повышенным пусковым моментом;
с повышенным скольжением;
многоскоростные, с фазовым ротором, двигатели с встроенным электромагнитным тормозом.
Таблица 2.35 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4А
Приняты следующие классы изоляции обмоток двигателей:
высота оси вращения 56,63 мм — Е,
высота оси вращения 71...132 мм — В,
высота оси вращения 160...355 мм — F.
Номера подшипников двигателей показаны в табл. 2.36.
Таблица 2.36 ПОДШИПНИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4А
Унифицированная серия асинхронных двигателей Интерэлектро АИ
Серия разработана в рамках международной организации Интерэлектро, объединявшей электротехников стран — бывших членов СЭВ. Координатором работ по созданию серии был СССР.
Разработаны и выпускаются различные модификации двигателей в зависимости от условий среды и назначения.
Двигатели выполняются в основном со степенями защиты IР54 или IР44, а при высотах осей вращения 200 мм и более — со степенью защиты IР23.
Конструктивное исполнение машин обозначается буквами IМ с четырьмя цифрами. Первая цифра обозначает группу конструктивных исполнений:
1 — на лапах, с подшипниковыми щитами;
2 — на лапах, с фланцем на щите или щитах;
3 — без лап, с подшипниковыми щитами и с фланцем на одном щите.
Вторая и третья цифры обозначают способ монтажа, четвертая — исполнение конца вала.
Двигатели серии имеют ряд мощностей диапазоном от 0,025 до 400 кВт, ряд высот осей вращения — от 45 до 355 мм.
Двигатели с высотами осей вращения до 71 мм выполняются на напряжение 380 В, остальные — 380 и 660 В при частоте 50 Гц, в экспортном исполнении — 60 Гц.
Обозначения двигателей серии
Пример базового обозначения:
АИР100М4,
где АИ — серия, Р — вариант увязки мощности с установочными размерами (может быть обозначение С), 100 — высота оси вращения, М — длина корпуса по установочным размерам, 4 — число полюсов.
Пример основного обозначения:
АИРБС100М4НПТ2,
где АИР100М4 — базовое обозначение, Б — закрытое исполнение с естественным охлаждением без обдува, С — с повышенным скольжением, Н — малошумные, П — с повышенной точностью установочных размеров, Т — для тропического климата, 2 — категория размещения. Пример полного обозначения:
АИРБС100М4НПТ2 220/380 В, 60 IМ2181, КЗ-11-3, F100,
где 60 — частота сети, 1М2181 — исполнение по способу монтажа и концу вала, КЗ—11—3 — исполнение выводного устройства и количество штуцеров, F100 — исполнение фланцевого щита. Буквы IM — первые буквы английских слов International Mounting, означающих монтаж по международным нормам. Данные некоторых двигателей серии приведены в табл. 2.37.
Типы и номера подшипников для двигателей серии АИ приведены в табл. 2.38.
Выбор электродвигателей
Тип, мощность и частота вращения двигателя для данного механизма обычно известны по паспорту установленного на нем двигателя, а если неизвестны, то потребная мощность двигателя рассчитывается по специальным формулам для каждого механизма.
Таблица 2.37 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ АИ
Таблица 2.38 ПОДШИПНИКИ-ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ АИ
Частота вращения двигателя должна быть равна частоте. вращения, необходимой для приводимого механизма, если их валы соединяются непосредственно, или должна быть больше потребной частоты вращения механизма с учетом уменьшения ее редуктором, установленным между валами двигателя и механизма.
Для выбора электродвигателя надо знать режим работы механизма, который он будет приводить в движение, и условия среды, в которой будут работать механизм с двигателем.
Могут быть следующие режимы работы в соответствии с режимами работы приводимых механизмов.
S1 — номинальный режим работы, при котором двигатель работает достаточно длительно с номинальной мощностью при достижении установившейся температуры.
S2 —- кратковременный режим с длительностью периода неизменной номинальной нагрузки 10, 30, 60 и 90 мин.
S3 — повторно-кратковременный режим с продолжительностью включения ПВ = 15, 25 и 60%, продолжительность одного цикла принимается равной 10 мин.
S4 — повторно-кратковременный с частыми пусками, с ПВ = 15, 25, 40 и 60%, с числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции F = 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4; 6,3 и 10, где коэффициент инерции F — отношение момента инерции нагрузки к моменту инерции ротора двигателя.
S5 — повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением с ПВ = 15, 25, 40 и 60%, с числом включений в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции F = 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4.
S6 — перемежающийся, с ПВ = 15, 25, 40 и 60%, продолжительность одного цикла 10 мин.
S7 — перемежающийся с частыми реверсами при электрическом торможении, с числом реверсов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции F = 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4.
S8 — перемежающийся с двумя или более частотами вращения, с числом циклов в час 30, 60, 120 и 240 при коэффициенте инерции F = 1,2; 1,6; 2; 2,5 и 4.
Зная потребные мощность и частоту вращения двигателя, можно его выбрать по каталогу с ближайшей большей мощностью по сравнению с расчетной, но выбирать нужно из двигателей такого исполнения, которое соответствует условиям внешней среды, где будет установлен двигатель, и режиму работы механизма.
Если нет двигателя в исполнении, соответствующем внешней среде, то приходится применять двигатель в нормальном исполнении, но тогда нужно принять меры для защиты его от влияния внешней среды (будка, навес, обертка целлофаном и т. д.), при этом важно не нарушить нормального охлаждения двигателя при работе.
Монтаж двигателей
Двигатель небольшой мощности, поступающий вместе с механизмом, обычно установлен на раме и соединен передачей с механизмом.
Двигатели большой мощности для транспортировки снимаются и перевозятся отдельно. Для них также готово место на механизме или специальная рама, которая укрепляется болтами, приваривается и заливается бетоном. Монтаж двигателя в
таких случаях заключается в установке его на подготовленное место, что делается силами собственного электрохозяйства или при большом объеме работ силами специализированных монтажных организаций. При этом двигатель укрепляется, присоединяется к механизму через имеющуюся передачу и присоединяется к электрической сети. Остальные работы выполняются при наладке.
При монтаже двигателя прежде всего обращается внимание на положение осей валов двигателя и механизма. Если валы соединяются непосредственно, то их оси должны лежать на одной линии. Это лучше всего проверить по положению торцовых частей полумуфт: если они параллельны, то оси лежат на одной линии, при этом также должны совпадать боковые части полумуфт. Положение оси двигателя при креплении его на лапах можно регулировать подкладками под лапы около болтов крепления. При фланцевом креплении двигателя правильное положение осей обеспечивается равномерной затяжкой болтов крепления. Для предупреждения откручивания гаек и ослабления крепления двигателя под гайки подкладываются сначала обычные плоские шайбы, а на них пружинные. При отсутствии пружинных шайб могут применяться вторые гайки — контргайки.
Замена двигателей
Замена двигателей производится, когда они выходят из строя и снимаются для капитального ремонта. Сама замена не сложна, если готов такой же двигатель для замены. Но в электрохозяйстве может быть установлено множество двигателей различных типов и мощностей, поэтому для каждого двигателя может не быть такого же для замены.
Но при наличии соответствующего двигателя для замены могут быть сложности, так как на валу двигателя может быть деталь для передачи вращения — шкив, звездочка, шестерня и т. д., и может оказаться, что ее не снять имеющимися средствами. В таком случае можно заменить только статор двигателя, оставив ротор с деталью для передачи вращения старым, вместе с передним щитом двигателя.
Меняется только статор и в том случае, если вал двигателя имеет специальную конструкцию — удлиненный или с двумя рабочими концами, и нет двигателя с таким валом.
Для двигателя с фланцевым креплением, не имеющего лап, можно установить статор с лапами, если они не будут мешать монтажу.
Если у вышедшего из строя двигателя со сгоревшей изоляцией обмотки имеются дефекты подшипников, то можно заменить его статор при одновременной замене подшипников. При наличии дефектов вала и вышедшем из строя статоре меняется весь двигатель.
При исправном статоре и вышедших из строя подшипниках или неисправном вале меняются подшипники или весь вал с подшипниками, взятый со старого двигателя такого же типа.
При отсутствии взаимозаменяемых деталей двигателя приходится менять весь двигатель.
При отсутствии для замены двигателя той же серии можно его заменить двигателем другой серии, при этом полезно знать взаимозаменяемые двигатели разных серий. В табл. 2.39 приводятся пары взаимозаменяемых двигателей серии А02 и 4А с одинаковыми диаметрами концов валов и окружностями крепления фланцев фланцевых двигателей.
Таблица 2.39 ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМЫЕ ДВИГАТЕЛИ
У последней пары двигателей не совпадают диаметры окружностей отверстий крепления фланцев. У двигателей серии 4А буквы S, М или L, М обозначают условные длины статора, при которых диаметры валов одинаковы, указаны число полюсов обмотки статора, при которых диаметры валов одинаковы.
У остальных близких по мощности и частоте вращения двигателей диаметры валов не совпадают. При этом не следует пытаться заменить только статор, потому что у разных серий двигателей, хотя они близки по параметрам, статоры разные.
Если диаметр вала двигателя не совпадает с диаметром отверстия насаживаемой на этот вал детали, то его нужно привести в соответствие с этой деталью или наоборот.
Если диаметр вала больше, то его можно обточить на токарном станке, а потом сделать новую шпоночную канавку. При этом если двигатель помещается на токарном станке без разборки, то его можно не разбирать.
Отверстие детали, насаживаемой на вал, можно рассверлить или расточить и сделать новую шпоночную канавку.
Если диаметр вала меньше, чем отверстие насаживаемой на него детали, то можно напрессовать на него или запрессовать в отверстие насаживаемой детали втулку и сделать в ней шпоночную канавку. Если из-за малой разницы размеров вала и отверстия втулку выточить нельзя, то можно ее сделать из листового железа.
Близкие по техническим данным двигатели разных серий имеют разные высоты осей вращения.
Допустим, высота оси вращения нового двигателя больше высоты оси вращения старого. Если при этом оси двигателя и вала механизма находятся на одной линии, то нужно опускать раму двигателя, если позволяют условия. При невозможности опустить раму двигателя нужно поднимать механизм, приводимый в движение этим двигателем, на величину разницы высот осей вращения двигателя и механизма.
Если высота оси вращения нового двигателя меньше, чем старого, то можно подложить под него подкладки или поднять его раму.
Если оси двигателя и механизма параллельны, то новый двигатель можно сдвинуть параллельно в плоскости рамы или с самой рамой.
Как правило, у двигателей разных серий с близкими по значению мощностями и частотами вращения не совпадают расстояния между отверстиями крепления на лапах, а у некоторых и на фланцах. В таких случаях на раме просверливаются новые отверстия. Если размеры рамы не позволяют сделать этого, то к раме можно приварить дополнительные плоскости для отверстий.
При сильном расхождении мест крепления старого и нового двигателя можно применить промежуточную плиту из толстого листового железа, в которой сделать отверстия для креплений к ней двигателя и отверстия для крепления плиты к старой раме.
При обработке отверстия детали, насаживаемой на новый двигатель, важно знать диаметр рабочего конца вала нового двигателя. В табл. 2.40 показаны диаметры рабочих концов валов двигателей серии 4 А при данных высотах осей вращения. При этом для двигателей с высотой оси вращения до 132 мм диаметры концов валов для всех частот вращения одинаковы, а с высотами оси вращения 160 мм и более двигатели с частотой вращения 3000 об/мин имеют меньшие диаметры концов валов, чем двигатели на другие частоты вращения.
Таблица 2.40 ДИАМЕТРЫ (d) РАБОЧИХ КОНЦОВ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4А В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫСОТ ОСЕЙ ВРАЩЕНИЯ (h)
Подготовка двигателей к включению в сеть и к работе
После монтажа нового двигателя вместе с новым механизмом или после замены двигателя производится его подготовка к включению с целью выявления неисправностей и дефектов монтажа не только двигателя, но и электрического и механического оборудования, с ним связанного.
При больших объемах работ подготовка к включению производится при наладке электрического и механического оборудования силами специализированных пуско-наладочных организаций по специальной программе.
При подготовке двигателей к включению и к работе производится:
внешний осмотр;
проверка схемы соединения обмоток;
измерение сопротивления изоляции
пробный пуск двигателя;
проверка работы двигателя на холостом ходу и под нагрузкой.
Внешний осмотр
При внешнем осмотре проверяются:
соответствие данных паспорта электродвигателя проекту, механизму и условиям окружающей среды в месте работы двигателя;
отсутствие механических повреждений корпуса, коробки выводов, вентилятора охлаждения;
отсутствие повреждений подводящих проводов (нарушений изоляции, скрытых под изоляцией обрывов и изломов);
возможность вращения вала от руки, отсутствие заеданий и торможений; вращение ротора проверяется воздействием на деталь, установленную на валу или, при ее недоступности, на вентилятор двигателя. Если ротор двигателя не вращается, то нужно отсоединить механизм, так как причина может быть в нем. Если ротор двигателя, отсоединенного от механизма, не вращается, то это означает, что он заклинен. Заклинивание может произойти при падении двигателя при неосторожной погрузке или разгрузке, от ржавчины в воздушном зазоре между статором и ротором в результате хранения в условиях повышенной влажности, от ржавчины в подшипниках при плохой смазке и наличии сырости. При заклинивании ротора двигатель должен быть разобран, найдена и устранена причина заклинивания;
наличие заземляющих проводников от электродвигателя до места присоединения к сети заземления.
Проверка схемы соединения обмоток
Большинство двигателей в коробках зажимов имеют шесть выводов, соответствующих началам и концам их фазных обмоток. Обозначения выводов электрических машин, соответствующие стандарту, показаны в табл. 2.45, 2.46.
Обычно выводы всех фаз обмотки статора двигателя расположены в коробке зажимов согласно рис. 2.17, а. Такое расположение дает возможность получить соединение фазных обмоток статора в звезду при соединении горизонтально перемычками нижних зажимов и в треугольник при соединении вертикальных пар зажимов (рис. 2.17, б, в).
В некоторых двигателях обмотки фаз статора соединены в звезду и в коробке зажимов находятся только выводы С1, С2 и С3.
Следует учесть, что выводные концы обмоток фаз двигателя одеваются на шпильки и прижимаются гайками, которые
могут быть слабо затянуты, поэтому нужно проверять крепление выводных концов их пошатыванием. При слабом креплении этих концов нужно отсоединять подводящие провода и перемычки и затягивать гайки крепления выводных концов обмотки двигателя.
Рис. 2.17. Выводы обмоток статора трехфазного асинхронного электродвигателя:
а) схема присоединения начал и концов обмоток к зажимам колодки в выводной коробке; б) схема включения обмоток статора в звезду и соединение выводных зажимов; в) схема включения обмоток статора в треугольник и соединение выводных зажимов.
Измерение сопротивления изоляции
Об измерении сопротивления изоляции рассказано в гл. 5. Величина сопротивления изоляции электродвигателя согласно ПУЭ не нормируется, но в стандарте указано, что величина сопротивления изоляции электрических машин должна быть не менее 1 кОм на 1 В номинального напряжения машины.
Пробный пуск двигателя
Электродвигатель включают на 2...3 с и проверяют:
направление вращения;
работу вращающихся частей двигателя и вращающихся и движущихся частей механизма;
действие пусковой аппаратуры.
При любых признаках неисправности электрической или механической части двигатель останавливается и неисправности устраняются.
Нужное направление вращения механизма бывает на нем обозначено стрелкой. Нужно также помнить, что при правильном направлении вращения рабочих колес турбомашин (насосов, вентиляторов и т. д.) их лопатки загнуты назад относительно направления вращения.
Правильное направление вращения двигателей транспортирующих машин (транспортеров, шнековых и ковшовых подъемников и др.) определяется по движению их рабочих органов.
Для изменения вращения двигателя достаточно отсоединить от зажимов два провода, подводящих напряжение к двигателю, поменять их местами и снова присоединить. Обычно это делается на выходе пускового аппарата.
Кратковременное включение повторяют 2—3 раза, увеличивая продолжительность включения.
Проверка электродвигателя на холостом ходу и под нагрузкой
Проверку электродвигателя на холостом ходу производят при отсоединенном механизме. Если отсоединить механизм нельзя, то проводится проверка при ненагруженном механизме. Продолжительность проверки — 1ч.
При этом проверяют нагрев подшипников, корпуса двигателя, наличие вибрации, характер шума подшипников.
При ненормальном шуме подшипников и их перегреве двигатель приходится разбирать и устранять причину. При невозможности устранить причину ненормальной работы подшипника он заменяется.
При повышенном нагреве корпуса двигателя (большем, чем у других нормально работающих двигателей) он останавливается и производится проверка прилегания контактов в аппаратах, через которые подводится напряжение к двигателю, проверка плотности затягивания зажимов проводов, начиная от выводных концов в коробке двигателя.
При исправности цепи, подводящей напряжение к двигателю, и его повышенном нагреве он должен отправляться в капитальный ремонт. Перед этим у него должно быть проверено соответствие обозначений выводных концов фазных обмоток, измерено сопротивление обмоток постоянному току, что делается при наладке опытными специалистами.
О других неисправностях и их устранении можно узнать ниже по табл. 2.44, далее рассказано об устранении вибраций.
. После проверки двигателя на холостом ходу начинается его проверка под нагрузкой. При нормальной работе двигателя в течение 20...30 мин с механизмом далее продолжается его обкатка вместе с механизмом не менее 8 ч. При этом прирабатываются подвижные детали механизмов, проверяется на нагрев электрооборудование, выявляются его слабые места. Режим обкатки определяется механиками, производившими монтаж технологического оборудования.
Способы пуска в ход асинхронных двигателей
Схемы пуска двигателей в ход должны предусматривать создание большого пускового момента при небольшом пусковом токе и, следовательно, при небольшом падении напряжения при пуске. При этом может требоваться плавный пуск, повышенный пусковой момент и т. д.
На практике применяются следующие способы пуска:
непосредственное присоединение к сети — прямой пуск;
понижение напряжения при пуске;
включение сопротивления в цепь ротора в двигателях с фазовым ротором.
Прямой пуск
Прямой пуск применяется для двигателей с короткозамкнутым ротором. Для этого они проектируются так, чтобы пусковые токи, протекающие в обмотке статора, не создавали больших механических усилий в обмотках и не приводили к их перегреву. Но при прямом пуске двигателей большой мощности в сети могут возникать недопустимые, более 15%, падения напряжения, что приводит к неустойчивой работе пусковой аппаратуры (дребезжание), подгоранию контактов и практически к невозможности пуска. Такие явления могут быть в маломощной сети или при большом удалении от подстанции пускаемого двигателя.
Прямой пуск двигателя от маломощной сети
В маломощной сети условия пуска двигателя ухудшаются для самого двигателя, ухудшается работа уже включенных двигателей и ламп накаливания, поэтому должны быть ограничения по мощности двигателя в зависимости от вида нагрузки сети и количества пусков двигателя.
Существуют следующие ограничения мощности двигателя.
Трансформатор, питающий чисто силовую сеть:
20% мощности трансформатора при частых пусках;
30% мощности трансформатора при редких пусках.
Трансформатор имеет смешанную нагрузку:
4% мощности трансформатора при частых пусках;
8% мощности трансформатора при редких пусках.
Электростанция малой мощности — 12% мощности электростанции.
В маломощных сетях следует ограничивать число пусков сравнительно мощных двигателей, при затруднении их пуска по возможности отключать другие двигатели.
Пуск при пониженном напряжении
Этот способ пуска применяется для двигателей средней и большой мощности при ограниченной мощности сети. Рассмотрим некоторые способы понижения напряжения при пуске.
Переключение обмотки статора двигателя с пусковой схемы звезда на рабочую схему треугольник
Для лучшего понимания способа пуска разберем схемы соединения обмоток двигателей и влияние этих схем на величину фазного напряжения двигателя при заданном линейном напряжении.
Обмотки двигателей могут соединяться звездой или треугольником. Тип соединения определяет соотношение между напряжением на зажимах двигателя и напряжением на фазах его обмотки, т. е. номинальным напряжением двигателя. Напряжение на зажимах двигателя измеряется между его зажимами и называется линейным, и на фазе обмотки — между ее началом и концом и называется фазным. Как известно, при соединении треугольником напряжения линейное и фазное равны, а при соединении звездой линейное напряжение больше фазного в 3^-0.5 раз.
Двигатель может иметь в коробке зажимов три или шесть концов. При наличии шести концов возможно соединение двигателя звездой или треугольником в зависимости от напряжения сети, к которой будет присоединяться двигатель, и его номинального напряжения.
Если номинальное напряжение двигателя 220 В, то при линейном напряжении сети 380 В его нужно соединять звездой, а при линейном напряжении сети 220 в — треугольником. При номинальном напряжении двигателя 380 В и линейном напряжении сети 380 В двигатель нужно соединять треугольником, а при линейном напряжении сети 660 В — звездой.
Как соединять выводные концы двигателя при различных схемах соединения его обмоток, видно из схем соединение обмоток, показанных на рис. 2.17, б, в, где указаны стандартные обозначения концов и начал фазных обмоток двигателя.
Если в коробке зажимов двигателя имеется три вывода обмоток с зажимами, то он имеет определенную схему соединения обмоток в зависимости от напряжения, на которое он рассчитан.
Схема пуска двигателя включением на пусковую схему звезда и с переключением на рабочую схему треугольник показана на рис. 2.18.
Рис. 2.18. Схема пуска трехфазного асинхронного электродвигателя включением на пусковую схему «звезда» и с переключением на рабочую схему «треугольник»:
SB1— кнопка КМЕ4201 (красная); SB2— кнопка КМЕ4201 (черная); КМ2.1, КМ2.2— пускатель ПМА-3100У4, 220 В; КТ1 — промежуточное реле РПЛ2204, 220 В, пневмоприставка ПВЛ1104; М2 — электродвигатель А02-72-2,30 кВт, 2910 об/мин;
QF2 —выключатель автоматический АЕ2046, 63 A; SF2 —выключатель автоматический А63, 4 A; QS1 —выключатель пакетный ПВЗ—100.
Перед пуском двигателя включаются выключатели QS1, QF2 и SF2. При нажатии на кнопку SB2 включается пускатель КМ2.1, соединяющий концы фазных обмоток двигателя в звезду. Одновременно включается реле времени КТ1, замыкая контакт КТ1.3, шунтирующий контакты кнопки SB2. С выдержкой времени, необходимой для разгона двигателя, отключается контакт КТ1.1 реле времени, отключая пускатель КМ2.1, и включается контакт КТ1.2, включающий пускатель КМ2.2, переключающий концы фазных обмоток двигателя на треугольник, и двигатель продолжает работать.
Так как при пуске двигателя при подключении по схеме звезда фазное напряжение обмотки уменьшается в 3^0.5 раз по
сравнению со схемой треугольник, то фазные токи также уменьшаются в 3^-0.5 раз, которые равны линейным токам при этой схеме. Но при схеме треугольник, являющейся рабочей в данном случае, фазные токи меньше линейных в 3^-0.5 раз, а при пусковой схеме звезда получается еще уменьшение фазных токов в 3^-0.5 раз, и в результате линейные токи, равные фазным при пусковой схеме звезда, уменьшаются в 3 раза.
После разгона двигателя обмотка его статора переключается на нормальную схему треугольник, поэтому схема пуска двигателя кратко называется схемой пуска переключением со звезды на треугольник.
Рис. 2.19. Схема пуска трехфазного асинхронного электродвигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения (ТРН).
Пуск электродвигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения
Схема включения двигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения представлена на рис. 2.19. В регуляторе напряжения в каждый фазный провод включаются встречно-параллельно два тиристора, один из которых работает условно в положительный полупериод напряжения сети, а другой в отрицательный. Регулирование напряжения на выходе регулятора осуществляется изменением времени включения каждого тиристора относительно момента, когда ток должен переходить с одного из трех тиристоров на другой (базовая точка), путем подачи на тиристор управляющего импульса, что дает возможность изменять время протекания тока через тиристор в течение полупериода напряжения сети и напряжение на его выходе, подаваемое на нагрузку, в данном случае на двигатель. Это напряжение не является синусоидальным, и его можно представить как среднее напряжение, которое можно менять, изменяя продолжительность работы тиристора в течение
полупериода. Время включения тиристора относительно базовой точки выражается в градусах и называется углом регулирования [7]. Изменяя угол регулирования тиристоров, можно получить необходимое напряжение для плавного пуски двигателя.
Пуск электродвигателя с фазовым ротором
Схема включения двигателя с фазовым ротором и получаемые при пуске механические характеристики показаны на рис. 2.20. Двигатель имеет контактные кольца, которые позволяют включать в цепь ротора при пуске добавочные сопротивления R1 и R2. В начале пуска включены обе ступени сопротивлений, при этом получается наибольший пусковой момент Мп1, разгон происходит по механической характеристике 1, частота вращения увеличивается, но не достигает номинальной и в точке б происходит отключение первой ступени сопротивлений R1 контроллером при замыкании контактов К1.1 и К1.2. При постоянной частоте вращения происходит увеличение пускового момента до Мп1 и снова разгон по характеристике 2 с более высокой частотой вращения. В точке г отключается вторая ступень R2 сопротивлений контактами К2.1 и К.2.2 и происходит переход на естественную механическую характеристику 3. Далее работа двигателя происходит при номинальной частоте вращения nн и при номинальном моменте Мн.
Рис. 2.20. Включение асинхронного электродвигателя с фазовым ротором: а) схема включения; б) механические характеристики при пуске; R1, R2 — ступени сопротивлений, К1.1, К1.2, К2.1, К2.2 — контакты переключателя.
При пуске двигателя происходит не только уменьшение пусковых токов, но и увеличение пускового момента, что важно для двигателей, которые включаются под нагрузкой (различные транспортные приспособления и машины).
Работа трехфазного двигателя в однофазной сети
На практике может потребоваться применение трехфазного двигателя в однофазной сети, например, при выходе из строя двигателя стиральной машины или другой бытовой машины, когда замены нет, а есть трехфазный двигатель.
Одна из схем такого применения показана на рис. 2.21, где к двум вершинам треугольника подводится напряжение сети, равное 220 В, а к третьей — пусковая емкость Сп через контакт выключателя, замыкающийся на время пуска двигателя для создания пускового момента, и рабочая емкость Ср, включаемая на все время работы двигателя. Соединение обмоток двигателя треугольником предпочтительнее, так как при этом к фазной обмотке двигателя подводится напряжение, равное напряжению сети, большее, чем при соединении звездой, и получается большой крутящий момент.
Рис. 2.21. Применение трехфазного двигателя в однофазной сети: Q — выключатель неавтоматический, имеющий средний контакт с самовозвратом, Сп, Ср — емкости пусковая и рабочая.
При напряжении сети 220 В и частоте сети 50 Гц рабочая емкость, мкф,
Ср = 66Рн, где Pн. — номинальная мощность двигателя, кВт.
Пусковая емкость, мкф
Сп = 2Ср = 132Рн.
Если двигатель запускается без пусковой емкости, то ее можно не применять.
Средства защиты электродвигателей
Основные причины выхода двигателей из строя
Защита электродвигателей означает их автоматическое отключение пуско-защитными аппаратами с целью предотвращения выхода из строя при увеличении токов в обмотках выше допустимых. Выход из строя двигателя в большинстве случаев означает полное или частичное обугливание изоляции его обмотки при нагреве обмоточного провода большим током. Большой, свыше номинального, ток в обмотке двигателя появляется при длительной перегрузке его механизмом, при заклинивании механизма, а также при несимметрии напряжений в питающих проводах, зависящих от состояния сети, т. е. при аварийных режимах в сети. Одно из первых мест среди аварийных режимов занимает обрыв фазного провода в цепи питания двигателя. Обрыв может быть на линиях высокого и низкого напряжений, при обгорании контактов или зажимов в аппаратах высокого и низкого напряжений, при повреждении кабелей или проводов питания двигателей, обгорании зажимов на самом двигателе.
При обрыве фазного провода двигатель не запускается или при работе он останавливается и его обмотка обугливается.
Защита электродвигателей осуществляется аппаратами, которые рассмотрены в п. 2.9, поэтому не будем возвращаться к их конструкции и принципу действия, а рассмотрим особенности защиты двигателей различными аппаратами и действенность этой защиты.
Реле тепловые
Распространенной защитой электродвигателей является защита тепловыми реле, которые монтируются в корпусах пускателей, если пускатели устанавливаются отдельно, или шкафах и на щитах. Правильно подобранные тепловые реле защищают двигатель от перегрузки, заклинивания, потери фазы, хотя предназначены они для защиты от перегрузки.
Недостаток защиты тепловыми реле заключается в том, что трудно подобрать реле из имеющихся в наличии для каждого двигателя так, чтобы ток теплового элемента реле соответствовал току двигателя. Также следует учесть, что тепловые реле сами требуют защиты от тока короткого замыкания.
Если соответствуют друг другу токи двигателя и уставки реле, это не значит, что реле надежно сработает, так как имеется разброс параметров реле с уставкой на один и тот же ток, поэтому реле нужно регулировать на специальном стенде, что не всегда возможно из-за отсутствия стендов и грамотных специалистов.
Защита реле тепловыми показана на рис. 11.8, где ККЗ — тепловые элементы реле в силовой цепи двигателя и контакты реле в его цепи управления.
Реле максимального тока (максимальные реле)
Максимальные реле применяются для защиты двигателей механизмов, которые могут заклиниваться во время работы, например, дозаторов, транспортеров. Эти реле могут защитить двигатель и от потери фазы. Защита с помощью реле максимального тока показана на рис. 11.8, где ККЗ — обмотка реле в силовой цепи двигателя и контакты реле в цепи управления двигателя.
Автоматические выключатели (автоматы)
Автоматы применяются для защиты двигателей, так как имеют расцепители максимального тока и тепловые расцепители, по принципу работы соответствующие максимальным и тепловым реле. Следует учесть, что не все автоматы имеют расцепители и поэтому не все они могут защитить двигатель от перегрузки. В схеме защиты автоматы обычно устанавливаются перед пускателем (рис. 11.8), где автомат QF2 служит для включения и отключения проводов и аппаратов, расположенных за ним по ходу электроэнергии в направлении двигателя, для защиты этих проводов и аппаратов от тока короткого замыкания и двигателя от тока короткого замыкания и перегрузки.
Устройства встроенной тепловой защиты (УВТЗ)
Устройство отключает пускатель электродвигателя, когда температура обмоток двигателя становится больше допустимой для данного типа изоляции обмоток двигателя. Устройство состоит из электронного блока и датчиков. Датчики устанавливаются в лобовых частях обмотки двигателя (по одному на каждую фазу). Температурными датчиками служат полупроводниковые термосопротивления — позисторы. Схема внешних соединений при данном виде защиты показана на рис. 2.22. При повышении температуры обмотки двигателя увеличивается сопротивление встроенного резистора Rк, которое воздействует на электронную схему электронного блока, в результате чего размыкаются контакты 2-3 реле, находящегося в электронном блоке, и отключают катушку пускателя К.
Рис. 2.22. Схема внешних соединений устройства встроенной тепловой защиты электродвигателя (УВТЗ):
QF— выключатель автоматический, SB1, SB2— контакты кнопки управления, К- пускатель магнитный, Rk — датчик температуры, 1, 2, 3, 4, 5, 6 — зажимы в цепи устройства.
Недостатком данного вида защиты является то, что с датчиками выпускаются не все двигатели, и датчики могут устанавливаться в условиях ремонтных мастерских, поэтому при замене двигателей может не оказаться двигателей с датчиками, защита данного вида будет бездействовать, и придется устанавливать другую. При данном виде защиты приходится отдельно приобретать специальные электронные блоки и датчики.
Защита реагирует не на причину аварийного состояния двигателя — большой ток, а на последствия этого состояния — нагрев обмотки двигателя, поэтому она может быть неэффективной с учетом инерции процессов.
Фазочувствительное устройство защиты (ФУЗ)
Как следует из названия, в данной защите контролируется не ток двигателя, а угол сдвига фаз между линейными токами двигателя, величина которого при аварийном режиме будет отличаться от величины его в нормальном состоянии.
Угол сдвига фаз между токами в трехфазной сети в нормальных условиях равен 120°, а при обрыве в одном фазном проводе угол сдвига фаз между токами в исправных проводах становится равным 180°. Значит, если контролировать изменение угла сдвига фаз между токами в проводах, подводящих ток к электродвигателю, то двигатель можно защитить от последствий обрыва фазного провода.
Рис. 2.23. Схема, поясняющая принцип действия фазочувствительного устройства защиты электродвигателей (ФУЗ):
Т1, Т2 — трансформаторы, К1 — реле.
Принцип действия устройства показывает простейшая схема на рис. 2.23. В схеме имеется датчик в виде моста из диодов VD1—VD4 и резисторов R1—R4. Для получения сигнала, принимаемого датчиком, формируются два напряжения U1, и U2 с определенным углом сдвига фаз между ними, который учитывается датчиком. Для получения этих напряжений применяются трансформаторы Т1 и Т2, включаемые в цепь питания двигателя. К датчику через вторичные обмотки трансформаторов присоединено реле К1, которое своими контактами
К1.1 отключает магнитный пускатель двигателя при аварийное режиме.
При невозможности запускания или заклинивания двигателя, обрыве фазного провода токи нагрузки и измеряемые напряжения U1 и U2 увеличиваются, ток в катушке реле возрастает и становится больше тока срабатывания реле, и оно срабатывает, отключая двигатель.
Технические данные некоторых устройств ФУЗ представлены в табл. 2.41.
Неисправности и отказы асинхронных двигателей с учетом неисправностей в цепи их питания и перегрузок показаны в табл. 2.44.
Таблица 2.41 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ УСТРОЙСТВ ФУЗ-М
Рис. 2.15. Схемы асинхронной машины:
Рис. 2.16. Схемы присоединения выводных концов многоскоростных электродвигателей для получения различных частот вращения:
Рис. 2.17. Выводы обмоток статора трехфазного асинхронного электродвигателя:
Рис. 2.18. Схема пуска трехфазного асинхронного электродвигателя включением на пусковую схему «звезда» и с переключением на рабо
Рис. 2.19. Схема пуска трехфазного асинхронного электродвигателя с помощью тиристорного регулятора напряжения (ТРН).
Рис. 2.20. Включение асинхронного электродвигателя с фазовым ротором:
Рис. 2.21. Применение трехфазного двигателя в однофазной сети:
Рис. 2.22. Схема внешних соединений устройства встроенной тепловой защиты электродвигателя (УВТЗ):
Рис. 2.23. Схема, поясняющая принцип действия фазочувствительного устройства защиты электродвигателей (ФУЗ):
Таблица 2.34 ПОДШИПНИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ А02
Таблица 2.35 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4А
Таблица 2.36 ПОДШИПНИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4А
Таблица 2.37 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ АИ
Таблица 2.38 ПОДШИПНИКИ-ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ АИ
Таблица 2.39 ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Таблица 2.40 ДИАМЕТРЫ (d) РАБОЧИХ КОНЦОВ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4А В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫСОТ ОСЕЙ ВРАЩЕНИЯ (h)
Таблица 2.41 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ УСТРОЙСТВ ФУЗ-М
2.10.3. Синхронные машины
2.10.3. Синхронные машины
Схема синхронной машины показана на рис. 2.24. Синхронная машина отличается от асинхронной тем, что ток в обмотке ротора появляется не при вращении ее в магнитном поле статора, а подводится к ней от постороннего источника постоянного тока. Статор синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной, и на нем обычно расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора образует магнитную систему с тем же числом полюсов 2р, что и у статора. Она создает магнитный поток возбуждения и называется обмоткой возбуждения. Вращающаяся обмотка ротора соединяется с внешней
цепью источника постоянного тока с помощью контактных колец и щеток. При вращении ротора с частотой n2 его магнитное поле возбуждения наводит в статоре ЭДС E1, частота которой
f1=p*n2/60
При подсоединении обмотки статора к нагрузке протекающий по ней ток будет создавать магнитный поток, частота вращения которого
n1=60f1/p
Из сравнения этих выражений видно, что п1 =n2 т. е. магнитные поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой, поэтому такие машины называются синхронными.
Рис. 2.24. Схема синхронной машины:
В — обмотка возбуждения, Uв — напряжение В цепи возбуждения
Результирующий магнитный поток создается совместным действием обмоток возбуждения и статора и вращается с той же частотой, что и ротор.
Обмотка якоря в синхронной машине — обмотка, в которой индуцируется ЭДС и к которой присоединяется нагрузка.
Индуктор в синхронной машине — часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения.
В схеме на рис. 2.24 статор является якорем, а ротор — индуктором, но может быть и обращенная схема, в которой статор — индуктор и ротор — якорь.
Синхронная машина может работать генератором или двигателем.
В машине с неподвижным якорем применяются две разновидности ротора: явнополюсный ротор имеет явно выраженные полюсы, неявнополюсный ротор не имеет явно выраженных полюсов.
Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.
Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами.
Синхронные двигатели применяются при мощности более 600 кВт и до 1 кВт как микродвигатели.
Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения. Данные некоторых таких генераторов приведены в табл. 2.42. Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.
Неисправности синхронных машин приведены в табл. 2.44.
Таблица 2.42 СИНХРОННЫЕ ЯВНОПОЛЮСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Рис. 2.24. Схема синхронной машины
Таблица 2.42 СИНХРОННЫЕ ЯВНОПОЛЮСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
2.10.4. Машины постоянного тока
2.10.4. Машины постоянного тока
Схема машины постоянного тока показана на рис. 2.25. Обмотка якоря 2 расположена на роторе и представляет собой замкнутую многофазную обмотку, подключенную к коллектору, состоящему из коллекторных пластин 3, изолированных друг от друга, и щеток А и В. Коллектор связывает обмотку якоря с внешней цепью нагрузки при работе машины генератором или с сетью питания при работе двигателем. Обмотка возбуждения располагается на полюсах статора и присоединяется к независимому источнику постоянного тока или к якорю. Магнитный поток возбуждения Фв этой обмотки неподвижен в пространстве.
Рис. 2.25. Схема машины постоянного тока:
1 — обмотка возбуждения, 2 — обмотка якоря, 3 — пластины коллектора, А, В — щетки, Фв — магнитный поток возбуждения.
При вращении обмотки якоря в неподвижном магнитном . поле в ней индуцируется ЭДС с частотой
f2=p*n/60
Коллектор осуществляет согласование частоты f2 с частотой сети постоянного тока f1 = 0, т: е. преобразует переменную ЭДС, индуцированную в обмотке якоря, в постоянную ЭДС между щетками А и В коллектора, и во внешней цепи протекает постоянный ток.
При холостом ходе машины магнитный поток создается только обмоткой возбуждения. При работе машины под нагрузкой обмотка якоря создает свой магнитный поток.
Реакция якоря машины постоянного тока — воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле машины. В результате реакции якоря магнитное поле машины искажается, что ведет к искрению под щетками. Кроме того, под действием реакции якоря магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС по сравнению с ее значением при холостом ходе.
Для исключения этого явления делают некоторые изменения в конструкции машины, но действенной мерой является применение компенсационной обмотки, которая располагается в пазах главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря таким образом, чтобы ее намагничивающая сила была направлена встречно с намагничивающей силой якоря и компенсировала ее действие. Компенсационная обмотка применяется в машинах средней и большой мощности.
Генераторы постоянного тока
Свойства генераторов зависят от способа питания их обмоток возбуждения, и в зависимости от этого они подразделяются на группы:
1 — генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых получает питание от независимого источника — рис. 2.26;
Рис. 2.26. Схема генератора независимого возбуждения:
Е — ЭДС генератора, U — напряжение на зажимах генератора, Iа,Iв,Iнагр — токи в цепях якоря, возбуждения и нагрузки, Rнагр — сопротивление нагрузки. грв — сопротивление регулирующего реостата в цепи возбуждения.
2 — генераторы с параллельным возбуждением, обмотка возбуждения которых присоединяется параллельно обмотке якоря — рис. 2.27;
3 — генераторы с последовательным возбуждением, обмотка возбуждения которых включается последовательно с обмоткой якоря — рис. 2.28;
4 — генераторы со смешанным возбуждением, у которых применяются обмотки параллельная и последовательная — рис. 2.29.
Двигатели постоянного тока
Свойства двигателей, как и генераторов, различаются в зависимости от способа включения обмотки возбуждения. Применяются двигатели с последовательным возбуждением — рис. 2.30, с параллельным возбуждением — рис. 2.31, со смешанным возбуждением — рис. 2.32.
Новым поколением двигателей постоянного тока являются двигатели серии 4П. Они различаются:
1 — по регулировочным свойствам — с нормальным регулированием частоты вращения — до 1 : 5, и с широким регулированием — до 1 : 1000;
Рис. 2.30. Схема двигателя с последовательным возбуждением:
Rп — сопротивление регулирующего реостата цепи последовательного возбуждения.
2 — по типу конструкции:
закрытые со степенью защиты IР44;
защищенные со степенью защиты IР23;
3 — по условиям эксплуатации:
нормальным, соответствующим значениям климатических факторов внешней среды УХЛ4 и в части воздействия механических факторов внешней среды — группе М1;
тяжелым условиям эксплуатации (УХЛЗ и М8), соответствующим работе во вспомогательных механизмах металлургического производства и др.
Для большинства двигателей номинальное напряжение — 110 и 220 В, диапазон частот вращения — 750...4000 об/мин. Разновидности двигателей серии 4П показаны в табл. 2.43. Применяются также двигатели серий 2П и П. Неисправности и отказы двигателей постоянного тока показаны в табл. 2.44.
Микромашины
Примером микромашин могут служить универсальные коллекторные двигатели, которые широко применяются в устройствах автоматики и в бытовых машинах. Питание двигателей может осуществляться как от источников переменного однофазного тока, так и от источников постоянного тока. По принципу устройства двигатель сходен с двигателем последовательного возбуждения. Отличие заключается в конструкции магнитной системы и в том, что катушки его обмотки возбуждения состоят из двух секций с промежуточными выводами — рис. 2.33. Секционирование обмотки делается потому, что при работе на переменном токе из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении обмоток частота вращения двигателя оказывается меньше, чем на постоянном токе. Для выравнивания скоростей при работе на постоянном токе включаются все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе только часть их.
Рис. 2.33. Схема универсального коллекторного микродвигателя:
В1,В2 — обмотки возбуждения.
Таблица 2.43 РАЗНОВИДНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4П
Рис. 2.25. Схема машины постоянного тока
Рис. 2.26. Схема генератора независимого возбуждения
Рис. 2.27-29 Схема генератора с постоянным возбуждением
Рис. 2.30. Схема двигателя с последовательным возбуждением
Рис. 2.31. Схема двигателя с паралельным возбуждением
Рис. 2.33. Схема универсального коллекторного микродвигателя
Таблица 2.43 РАЗНОВИДНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ 4П
2.10.5. Неисправности и отказы электрических машин
2.10.5. Неисправности и отказы электрических машин
Большинство неисправностей и отказов электрических машин разного принципа действия приведены в табл. 2.44. Многие неисправности один электрик устранить не в состоянии, поэтому подробно устранение таких неисправностей не приводится. При выходе из строя обмотки машина отправляется в капитальный ремонт (имеется в виду, что размеры и вес машины позволяют ее перевозить обычным транспортом). Также приведены некоторые сведения по устранению часто встречающихся неисправностей — вибраций и снижения сопротивления изоляции.
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Продолжение табл. 2.44
Продолжение табл. 2.44
Продолжение табл. 2.44
Продолжение табл. 2.44
Продолжение табл. 2.44
Продолжение табл. 2.44
Окончание табл. 2.44
Устранение вибраций электрических машин
Электрические машины часто подвергаются вибрации со стороны механизмов, связанных с ними, например, колес турбомашин-вентиляторов, дымососов и т. д.При этом ослабляется крепление двигателей и рабочих машин, выходят из строя подшипники и другие детали двигателей и рабочих машин. Часто пытаются устранить это явление усилением крепления двигателя и рабочей машины, установкой машины на пружины, но это не помогает.
Дело в том, что в данных случаях причиной бывает неуравновешенность рабочего колеса машины относительно его оси из-за того, что в какой-то его части сосредоточена масса больше, чем в противоположной, и эта часть с большой массой всегда оказывается внизу, если колесо вращать от руки, а потом дать возможность остановиться.
Устранить явление можно привариванием к колесу в более легкой части, которая оказывается наверху, уравновешивающего груза. Если есть возможность, лучше всего приварить болт, а потом на него накручивать гайки, пока эта часть будет не на верху, а в разных местах при нескольких остановках при вращении от руки. После этого гайки нужно приваривать к болту — рис. 2.34.
Рис. 2.34. Уравновешивание рабочего колеса дымососа.
Вибрация возможна и при вертикальном положении оси
колеса.
В таком случае колесо вместе с двигателем нужно снять и установить в горизонтальном положении на опорах для балансировки тем же способом.
Сушка электрических машин
Увлажнение изоляции электрических машин может произойти из-за условий внешней среды, в которых находится машина во время транспортировки, хранения, монтажа или эксплуатации. Поэтому необходимо проверять сопротивление изоляции электрических машин перед их монтажом, после работы на открытом воздухе или в помещении с повышенной влажностью перед новым сезоном работы в этих условиях (сельское хозяйство), после перерывов в работе и периодически в сроки, устанавливаемые ответственным за электрохозяйство. Величину допустимого сопротивления изоляции ГОСТ рекомендует принимать равной одному килоому на один вольт рабочего напряжения машины, и для машин, рассчитанных на напряжение до 1000 В, нормой считается 500 кОм.
Распространенными способами сушки электрических машин являются сушка нагревом от внешнего источника тепла и нагревом током, протекающим в обмотке машины.
Сушка внешним нагревом производится с разборкой машины. Разборка машины необходима не только для улучшения сушки и сокращения ее времени, но и для полного удаления влаги и ржавчины из зазора машины при сильном ее увлажнении.
Простейшим способом сушки внешним нагревом является нагрев лампами накаливания, помещаемыми внутрь статора машины на лист железа или асбеста. Лучше брать две лампы, мощность которых зависит от мощности двигателя, например, при мощности двигателя 30 кВт можно взять две лампы мощностью по 300 Вт, для двигателя 75 кВт — две лампы по 500 Вт, для двигателя 110 кВт — две лампы 1000 Вт.
Вместо ламп накаливания внешний нагрев может осуществляться также с помощью трубчатых электронагревателей — ТЭН соответствующих размеров и Мощности, устанавливаемых внутрь статора на теплостойкую подкладку.
Нагрев машины может быть также струей горячего воздуха от воздухонагревателя, например, электрокалорифера, в сушильном шкафу или около мощного источника тепла. Приносит пользу сушка на свежем воздухе под лучами солнца летом.
Сушка нагревом обмотки машины током, протекающим в ней, производится при наличии подходящего источника тока, при этом машина не разбирается. Данный метод пригоден при несильной увлажненности изоляции, когда не видно на обмотке капель влаги. При этом при сушке трехфазного двигателя его ротор затормаживается, при фазном роторе кольца ротора соединяются вместе. К обмотке статора подводится трехфазный ток такого напряжения, чтобы в обмотке получить ток, равный примерно 0,5Iн (/н — номинальный ток двигателя). Для поддержания такого тока напряжение сушки может быть равным 0,1Uн (Uн — номинальное напряжение двигателя). Для сушки могут применяться трехфазные трансформаторы с вторичным напряжением 36 В, изготовляемые промышленностью, например, типа ТСЗ-2,5/1, с помощью которого может быть высушен двигатель мощностью от 30 кВт. Для сушки двигателей мощностью от 30 до 55 кВт нужно два таких трансформатора, соединенных параллельно.
При отсутствии трехфазного трансформатора сушка двигателя может производиться с помощью сварочного трансформатора. При этом, если двигатель имеет шесть выводных концов, то обмотки его фаз соединяются последовательно. Присоединение однофазного напряжения к трем выводным концам при соединении обмоток двигателя звездой или треугольником дает неравный ток в обмотках двигателя, при этом при соединении звездой нужно соединять вместе два выводных зажима. Поэтому при трех выводных концах обмоток двигателя нужно периодически пересоединять провода к разным зажимам двигателя (рис. 2.35).
Рис. 2.35. Схема сушки асинхронного электродвигателя от трансформатора 36 В:
о) двигатель имеет шесть выводов обмоток; 6) двигатель имеет три вывода и соединен звездой; в) двигатель имеет три вывода и соединен треугольником; б1)~б3), в1)-в3) — последовательность периодических пересоединений при подводе тока.
Обозначение выводов обмоток электрических машин
Для присоединения к сети новых электрических машин или доставленных из ремонта надо знать назначение выводных концов их обмоток. Выводные концы электрических машин маркируются путем выбивания знаков на наконечниках выводных концов обмоток, а если наконечники малы, то на металлических кольцах у наконечников, или надписями на пластмассовых кольцах у наконечников.
Маркировка выводов электрических машин приведена а табл. 2.45 и 2.46.
Таблица 2.45 ОБОЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
У многоскоростных машин много выводных концов в коробках зажимов в соответствии с количеством частот вращения, на которые они рассчитаны при соответствующем соединении выводных концов. Нужную частоту вращения можно получить, соединив выводные концы согласно рис. 2.16.
Таблица 2.46 ОБОЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Рис. 2.34. Уравновешивание рабочего колеса дымососа.
Рис. 2.35. Схема сушки асинхронного электродвигателя от трансформатора 36 В:
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (окончание)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (продолжение 1)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (продолжение 2)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (продолжение 3)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (продолжение 4)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (продолжение 5)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (продолжение 6)
Таблица 2.44 НЕИСПРАВНОСТИ И ОТКАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Таблица 2.45 ОБОЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Таблица 2.46 ОБОЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
2.11. Осветительные установки
2.11. Осветительные установки
Общие сведения
Осветительной установкой называется электроустановка, состоящая из источника света вместе с арматурой и пуско-регулирующей аппаратурой.
Источник света устанавливается в арматуре, имеющей детали его крепления и защиты от внешней среды, защиты глаз человека от прямых лучей света. Совокупность этих деталей составляет светильник. Он имеет также петли крепления его в нужном месте.
Источниками света являются лампы накаливания и люминесцентные лампы различной конструкции.
Параметрами источников света являются номинальное напряжение, номинальная мощность, световой поток.
Электрические лампы накаливания
Принцип действия лампы накаливания основан на свечении спирали в стеклянной колбе, заполненной инертным газом.
Лампы накаливания изготовляются на напряжение от единиц до сотен вольт и на мощности от долей ватта до киловатт.
Параметры некоторых ламп накаливания приведены в табл. 2.47.
Таблица 2.47 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Так как температура спирали зависит от напряжения сети, к которой присоединяется лампа, то срок службы лампы в
основном определяется величиной напряжения сети. В сетях, где возможны колебания напряжения, лампы быстро выходят из строя. Более надежными являются лампы на повышенное напряжение до 240 В.
Таблица 2.48 НЕКОТОРЫЕ ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП
На практике может быть превышено и это напряжение, например, при замыкании на корпус оборудования другой фазы, к которой лампа не присоединена. Так как лампа присоединяется к фазному и нулевому проводу, связанному с корпусом оборудования, то она оказывается включенной кратковременно на две фазы, что приводит ее к перегоранию.
Так же отрицательно действуют плохие зажимы и контакты в цепи лампы, которые приводят к колебаниям тока в лампе. Отрицательно действуют на лампы всякие перенапряжения в сети, частые включения и отключения самих ламп.
Неисправности осветительных установок с лампами накаливания приведены в табл. 2.49.
Принцип действия ЛЛНД основан на дуговом разряде в
парах ртути низкого давления. Получающееся при этом ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое в слое люминофора, покрывающего внутренние стенки лампы. Лампы представляют собой длинные стеклянные трубки, в торцы которых впаяны ножки, несущие по два электрода, между которыми находится катод в виде спирали.
Таблица 2.49 НЕИСПРАВНОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Окончание табл. 2.49
В трубку лампы введены пары ртути и инертный газ, главным образом аргон. Назначением инертных газов является обеспечение надежного загорания лампы и уменьшение распыления катодов. На внутреннюю поверхность трубки нанесен слой люминофора.
Применяются ЛЛНД с различной цветностью, которую можно получить с помощью люминофора — галофосфата кальция в зависимости от цветовой температуры лампы. Цветовой температурой называется температура абсолютно черного тела, при которой цвет его излучения совпадает с цветом излучения самого тела.
ЛД — лампы дневного цвета, имеющие цветовую температуру 6500 К, соответствующую цветовой температуре голубого неба без солнца (К — Кельвин. Т= t+ 273, где Т— температура в К, t — температура в °С).
ЛХБ — лампы холодно-белого цвета с цветовой температурой 4800 К, соответствующей цветовой температуре дневного неба, покрытого тонким слоем белых облаков.
ЛБ — лампы белого цвета с цветовой температурой 4200 К, соответствующей цветовой температуре яркого солнечного дня.
ЛТБ — лампы тепло-белого цвета с цветовой температурой 2800 К, соответствующей цветности излучения ламп накаливания.
В обозначениях ламп с улучшенной цветностью в конце добавляется буква Ц, например, лампы ЛДЦ.
Пускорегулирующие аппараты со стартерным зажиганием для ламп ЛЛНД
Стартерный пускорегулирующий аппарат (ПРА) состоит из дросселя и стартера, иногда могут применяться компенсирующие конденсаторы. Дроссель служит для стабилизации р .жима работы лампы.
При зажигании лампы стартер не размыкает свои контакты в течение времени, необходимого для разогрева электродов лампы до температуры термоэлектронной эмиссии, быстро размыкает контакты после разогрева электродов, поддерживает контакты разомкнутыми во время горения лампы.
На рис. 2.36, б представлена схема устройства стартера тлеющего разряда. Он представляет собой баллон из стекла, наполненный инертным газом, в котором находятся металлический и биметаллический электроды, выводы которых соединены с выступами в цоколе для контакта со схемой лампы При включении лампы согласно схемы рис. 2.36 а на электро-
Рис 2.36. Стартерное зажигание люминесцентной лампы:
а) схема включения: EL — лампа, VL — стартер, LL — дроссель; 6} схема стартера 1 — контакты, 2 — металлический электрод, 3 — баллон, 4 — биметаллический электрод, 5 — цоколь; в) диаграмма изменения напряжения на лампе и тока в лампе при зажигании: Uс — напряжение сети,Uимп — импульс напряжения, зажигающий лампу, Uтл — напряжение тлеющего разряда, Iтл — ток тлеющего разряда, Iпуск — пусковой ток, Iр — рабочий ток; tтл — период тлеющего разряда, t1 — момент замыкания контактов стартера, tзам — период замыкания контактов стартера, t2 — момент появления импульса напряжения на электродах лампы, tпуск— общая длительность пускового режима лампы.
ды лампы и стартера подается напряжение сети Uс, которое достаточно для образования тлеющего разряда между электродами стартера. Поэтому в цепи протекает ток тлеющего разряда стартера Iтл = 0,01...0,04 А. Тепло, выделяемое при протекании тока через стартер, нагревает биметаллический электрод, который выгибается в сторону другого электрода. Через промежуток времени тлеющего разряда tтл = 0,2...0,4 с контакты стартера замыкаются — момент t1 на рис. 2.36, в, и по цепи начинает течь пусковой ток Iпуск. величина которого определяется напряжением сети и сопротивлениями дросселя и электродов лампы. Этого тока не достаточно для нагревания электродов стартера, и биметаллический электрод стартера разгибается, разрывая цепь пускового тока. Предварительно пусковой ток разогревает электроды лампы. Благодаря наличию в цепи индуктивности, при размыкании контактов стартера в цепи возникает импульс напряжения в момент времени t2 -зажигающий лампу. Время разогрева электродов лампы составляет 0,2...0,8 с что в большинстве случаев недостаточно, и лампа может не загореться с первого раза, и весь процесс
может повториться. Общая длительность пускового режима лампы Iпуск составляет 5...15 с. Длительность пускового импульса при размыкании контактов стартера составляет 1...2 мкс, что недостаточно для надежного зажигания лампы, поэтому параллельно контактам стартера включают конденсатор емкостью 5...10 пф.
Параметры некоторых ЛЛНД приведены в табл. 2.47, а ПРА — в табл. 2.48. Отказы установок с ЛЛНД перечислены в табл. 2.49. Обозначения типов ПРА расшифровываются следующим образом (табл. 2.50):
Таблица 2.50 РАСШИФРОВКА ОБОЗНАЧЕНИЙ ТИПОВ ПРА
Дуговые ртутные лампы высокого давления (ДРЛ)
При повышении давления в лампе и плотности тока разряд в ней становится более интенсивным по излучению. Наряду с излучением в видимой области спектра получается излучение в ультрафиолетовой области. При использовании такого разряда в источниках света требуется исправление его цветности путем преобразования ультрафиолетового излучения в красное.
Для получения такого излучения используются трубчатые кварцевые лампы, называемые в данном случае горелками. Горелка представляет собой кварцевую трубку с впаянными по концам катодами на больший ток, чем при разряде низкого
давления. С целью облегчения зажигания впаиваются дополнительные электроды зажигания в один или оба конца трубки, соединенные с противоположным катодом через добавочное сопротивление R — рис. 2.37. Из-за малого расстояния между основным и дополнительным электродами между ними происходит разряд при включении лампы, приводящий к ионизации газа в трубке. Когда сопротивление столба разряда в трубке станет меньше добавочного сопротивления в цепи дополнительного электрода, начинается разряд между основными электродами. Такие горелки применяются в лампах ДРЛ. Так как работа горелки зависит от действия внешней среды, то она размещается внутри колбы лампы, покрытой изнутри люминофором, который поглощает ультрафиолетовое излучение и превращает его в видимое красное. Внешняя колба лампы наполняется инертным газом. Время, в течение которого происходит установление нормального режима работы лампы, называемое временем разгорания, составляет 7...10 мин. Повторное зажигание лампы возможно только после ее остывания.
Рис. 2.37. Схема конструкции горелки лампы ДРЛ:
1 — основной электрод, 2 — электрод зажигания, 3 — вводы, R — добавочное сопротивление.
Рассмотренные лампы требуют для своей работы ПРА. Лампа с горелкой и нитью накала в колбе не требует специальных устройств для включения и может прямо включаться в сеть. Такие лампы называются ртутно-вольфрамовыми.
Параметры ламп ДРЛ приведены в табл. 2.47, а ПРА для них — в табл. 2.48. Неисправности установок с люминесцентными лампами перечислены в табл. 2.49.
Рис 2.36. Стартерное зажигание люминесцентной лампы
Рис. 2.37. Схема конструкции горелки лампы ДРЛ
Таблица 2.47 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Таблица 2.48 НЕКОТОРЫЕ ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП
Таблица 2.49 НЕИСПРАВНОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК (окончание)
Таблица 2.49 НЕИСПРАВНОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Таблица 2.50 РАСШИФРОВКА ОБОЗНАЧЕНИЙ ТИПОВ ПРА
2.12. Датчики систем автоматического регулирования
2.12. Датчики систем автоматического регулирования
Состояние машин и установок можно контролировать не только человеком, но и специальными устройствами, называе
мыми чувствительными элементами или датчиками. Сигнал от датчика подается на устройство сравнения вместе с заданным сигналом, сигнал разности подается на усилитель, и этот усиленный сигнал действует на исполнительный органа изменяющий состояние регулируемого объекта.
В электроустановках датчик воздействует на электрическую цепь, включая или выключая ее, изменяя электрическое сопротивление или вырабатывая электричество.
Всегда важно выбрать место установки датчика. Например, в системе водяного отопления от электрокотла датчик температуры ставится на выходе ее из котла, чтобы подавать сигнал на включение и отключение нагревательных элементов котла для поддержания температуры воды на выходе котла соответствующей заданной. При установке датчика в других местах котел может не отключиться даже при аварийных режимах работы, например, при отсутствии циркуляции воды и перегреве котла.
Датчики температуры
Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления) применяются для передачи сигнала о температуре объекта на расстоянии от объекта до показывающего прибора, т. е. для дистанционного измерения температуры. Их принцип работы основан на свойстве металлов изменять удельное сопротивление при изменении температуры. Схема термопреобразователя сопротивления показана на рис. 2.38.
Рис. 2.38. Схема термопреобразователя сопротивления
1 — чувствительный элемент, 2 — провода, 3 — корпус, 4 — штуцер крепления корпуса, 5 — клеммы, 6 — штуцер для вывода проводов.
Чувствительный элемент термопреобразователя состоит из проволоки, намотанной на каркас. В зависимости от материала проволоки различаются термопреобразователи сопротивления медные (ТСМ) и платиновые (ТСП). Размер каркаса чувствительного элемента от 60 до 100 мм. Каркас вставляется в конец корпуса защитной арматуры, а на другом конце корпуса имеется головка с зажимами для проводов, идущих от чувствительного элемента. На корпусе имеется штуцер для его крепления на технологическом оборудовании.
Термопреобразователи различаются монтажной длиной — расстоянием от штуцера до конца, в котором находится чувствительный элемент, которая может меняться от 80 до 3150 мм.
Пределы измеряемой температуры термопреобразователя
от -200 до 600 -С.
Термоэлектрические преобразователи (термопары) служат также для дистанционного измерения температуры. Их принцип действия основан на использовании ЭДС, получаемой от двух спаянных концов разного металла, если их спай и свободные концы находятся при разных температурах.
Термоэлектрические преобразователи обозначаются в зависимости от применяемых сплавов: хромель—копель — ТХК, хромель—алюмель — ТХА, платинородий—платина — ТПП, платинородий (30% родия) — платинородий (6% родия) —
ТПР.
Термоэлектрический преобразователь устроен аналогично
термопреобразователю сопротивления. Длина его монтажной части до 10 м, пределы измеряемой температуры — от -50 до
1800 °С.
Особенность применения термоэлектрических преобразователей заключается в необходимости компенсации температуры холодных концов спая. Если температура холодных концов, равная температуре окружающего воздуха, будет изменяться, а температура измеряемой среды будет неизменной, то значения термо-ЭДС будут также изменяться. Неизменность показаний прибора достигают электрической компенсацией влияний температуры в месте установки прибора, воспринимающего термо-ЭДС. Для этого термоэлектрический преобразователь присоединяют к вторичному прибору специальными компенсационными проводами (табл. 2.51).
Манометрические термометры применяются для дистанционного измерения температуры. Их принцип действия основан на зависимости между температурой и давлением жидкости или газа при постоянном объеме. Схема манометрического
термометра показана на рис. 2.39.
Прибор состоит из термобаллона, соединенного капилляром с вторичным прибором — манометром. В манометре капилляр соединяется с трубчатой пружиной, которая скручиваемся или раскручивается в зависимости от давления жидкости
или газа в системе манометра, зависящего от температуры измеряемой среды, куда помещен термобаллон. Пружина действует на механизм манометра, воздействующий на показывающие и регулирующие устройства (стрелки, самописцы, контакты).
Таблица 2.51 ДАННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОВОДОВ
Манометрические термометры могут быть газовые, жидкостные и конденсационные, самопишущие, сигнализирующие и показывающие. К последним относятся газовые типа ТГП—100, конденсационные типа ТКП—100. Пределы измерения различных типов приборов от —50 до 600 °С, длина капилляра от 1,6 до 40 м.
Терморезисторы широко применяются в устройствах автоматики. Они встраиваются в обмотки электродвигателей, если применяется устройство температурной защиты, являются датчиками в регуляторах температуры.
Рис. 2.39. Схема манометрического термометра:
1 — пружина манометрическая, 2 — стрелка показывающая, 3 — ось, 4 — механизм передаточный, 5 — капилляр, 6 — термобаллон.
Биметаллические элементы являются датчиками температурами. Их принцип действия основан на свойстве пластинки,
сваренной иэ двух разных металлов, изгибаться из-за разного удлинения этих металлов при нагревании. Биметаллические
элементы применяются в приборах для регулирования температуры различных сред, в защитных тепловых реле, применяемых в бытовых приборах и в промышленных установках
Датчики давления
Для измерения давления в различных средах широко применяются манометры. Чувствительными элементами манометры являются плоские или гофрированные мембраны, мембранные коробки, сильфоны и различного рода манометрические пружины.
В системах автоматики применяются электроконтактактные
манометры типов ЭКМ-1У, ЭКМ-2У, ВЭ-16Р6 с пределами измерения от 0,1 до 160 МПа. Схема электроконтактного манометра показана на рис. 2.40.
Pиc. 2.40. Электрическая схема электроконтактного манометра.
1 — стрелка, 2 — шкала, 3 — зажимы выводов, связанные с неподвижными контактами и стрелкой, 4 — контакты подвижные
Датчики уровня
Датчики уровне служат для контроля уровня жидкостей в резервуарах и для подачи сигналов о регулировании этого
уровня.
Электродный датчик имеет короткий и длинный электроды, укрепленные в коробке зажимов. Короткий электрод является контактом верхнего уровня, а длинный — нижнего уровня. Датчик соединяется проводами со станцией управления.
двигателем насоса. Касание коротким электродом воды приводит к отключению пускателя насоса, понижение уровня воды ниже длинного электрода приводит к включению насоса.
Электродные датчики применяются и в других установках, кроме насосных, например, в системе подкачки воды в парогенераторах.
Поплавковое реле применяется в отапливаемых резервуарах. Одна из конструкции этого реле состоит из коромысла, на конце которого подвешены на тросе один над одним два поплавка. Верхний поплавок представляет собой емкость дном вверх, а нижний — емкость дном вниз. Ось коромысла заходит в корпус, где кулачками переключает тумблер, включающий или отключающий двигатель насоса.
При снижении уровня воды конец коромысла опускается под действием веса поплавков и воды в нижнем поплавке, кулачок коромысла включает насос, воздействуя на тумблер.
При повышении уровня воды поплавки поднимаются, коромысло под действием противовеса поднимает конец с тросом и переключает тумблер на остановку насоса.
Электроконтактные манометры также применяются как датчики уровня, так как каждый уровень воды соответствует определенному ее давлению. При этом шкала манометра должна иметь достаточно большие деления, чтобы установить пределы давления на включение и отключение насоса с помощью подвижных контактов на приборе.
Для определения уровня сыпучих материалов в бункерах служат мембранные датчики уровня, которые крепятся в отверстии стенки бункера. В них мембрана воздействует на контакты, замыкая или размыкая цепь управления загрузочными или разгрузочными устройствами.
Датчики освещенности и пламени
Для включения и отключения уличного освещения применяются фотореле, датчиком освещенности с которыми применяются фотосопротивления ФСК—Г1. Они представляют собой герметические корпуса с окном со стеклом для освещения фотосопротивления, которое находится внутри. Наружу выведены два контакта для припайки проводов.
Для контроля пламени в топках на жидком топливе применяются фотореле — приборы контроля пламени, датчиками которых являются фотоголовки ФСК—6, внутри которых за стеклом находятся два фоторезистора.
Механические контактные датчики
Принцип работы датчиков такой же, как кнопочных постов, только переключаются они не вручную, а различными выступающими деталями механизмов, действующими на штоки и педали, несущие подвижные контакты. Широкое распространение имеют конечные выключатели, сигнализирующие о положении различных механизмов, служащие для их остановки или изменения направления движения. Конечные выключатели, имеющие малые габариты, называются микропереключателями.
Бесконтактные датчики перемещения
Пример конструкции датчика показан на рис. 2.41, о, его принципиальная схема — на рис. 2.41, б. Датчик состоит из генератора и усилителя на транзисторах. На генератор воздействует внешняя стальная пластина, связанная с движущейся частью объекта регулирования, например, с цепью транспортера. При введении в зазор корпуса датчика металлической пластины между базовой и коллекторной обмотками трансформатора происходит уменьшение коэффициента обратной связи генератора, вызывающее срыв генерации. В усилителе нормально закрытый выходной транзистор открывается, что дает сигнал на срабатывание реле и блока управления. Детали датчика залиты в компаундную смолу, поэтому он является водозащищенным и выдерживает экстремальные температуры производственных условий.
Рис. 2.41. Бесконтактный датчик перемещения типа КВД—6:
о) общий вид: 1 — пластина металлическая на контролируемом механизме, 2 — провода для присоединения к пульту управления; 6) принципиальная схема.
Неисправности датчиков
При выборе датчиков нужно учитывать соответствие условий внешней среды и напряжения, при которых они будут работать, исполнению датчиков. Датчик также должен иметь запас по измеряемому параметру. Например, если термоэлектрический преобразователь поместить в среду с большей температурой, чем та, которая указана на его корпусе или в его документации, то он выйдет из строя. Следует иметь в виду, что при выходе из строя системы регулирования температуры может быть перегрев объекта регулирования и выход из строя термоэлектрического преобразователя.
Для подключения термоэлектрических преобразователей к измерительным приборам применяют специальные термоэлектродные провода с двумя жилами из специально подобранных металлов и сплавов, которые в интервале температур от 0 до 100 С развивают такую же термо-ЭДС, как и соответствующий преобразователь. Плюсовая жила провода должна присоединяться к плюсовому термоэлектроду, а минусовая — к минусовому. Данные по термоэлектродным проводам приведены в табл. 2.51.
Неисправности термоэлектрического преобразователя при работе вместе с конечным прибором приведены в табл. 2.52.
В манометрах органом, воспринимающим давление, являются мембраны, коробки, сильфоны и трубки, и надежность манометра зависит от герметичности этих устройств.
В системе регулирования уровня воды с помощью электроконтактных манометров может быть неустойчивая работа и подгорание контактов манометра, промежуточных реле и пускателя. Причина в том, что стрелка манометра, с которой связан подвижный контакт, не сразу устанавливается в положение равновесия при переключении насоса из-за колебаний давления в системе, которое воспринимает стрелка. Колебание стрелки, несущей подвижный контакт, приводят к включению и выключению насоса, что приводит снова к колебаниям, которые могут быть незатухающими, что может вывести из строя двигатель насоса.
Для обеспечения устойчивости могут быть механические и электрические корректирующие устройства.
Механическое корректирующее устройство может быть в виде успокоителя — демпфера в трубке, подводящей воду к манометру, но оно не всегда эффективно.
Если электрическое корректирующее устройство не предусмотрено схемой, то оно может быть сделано в виде цепочки последовательно соединенных конденсатора и резистора, присоединенных параллельно контактам манометра. Эти детали можно расположить в любом удобном месте, например, в пульте управления, присоединив к соответствующим точкам схемы. Величины емкости и сопротивления можно подобрать опытным путем.
Таблица 2.52 НЕИСПРАВНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ С ПРИБОРОМ
Примечание: ремонт всех приборов производится специализированными организациями.
Чтобы полностью исключить влияние неустойчивого включения контактов манометра на работу системы, можно применить задержку их влияния на систему с помощью реле времени. Для этого размыкающий контакт реле времени включается параллельно контактам манометра. Реле времени включается сразу после касания контактов манометра, потом происходит задержка времени включения размыкающего контакта, пока стрелка манометра не успокоится, после чего контакт реле времени размыкается.— рис. 2.42.
Датчики уровня поплавковые, электродные и мембранные при низкой температуре являются неработоспособными. Первые два вмерзают в воду и требуют обогрева, которое не всегда возможно осуществить. Мембрана датчика уровня для сыпучих материалов при низкой температуре также не работает и выходит из строя, поэтому и хранить их нужно при положительной температуре.
Рис. 2.42. Коррекция системы автоматического управления насосом с электроконтактным манометром:
о) цепь RC, присоединенная параллельно контактам манометра; б) размыкаемые контакты реле времени, присоединенные параллельно контактам манометра.
Если в воде, где применяется электродный датчик, много минеральных частиц, то они осаждаются на электродах и детали крепления электродов, что приводит к нарушению работы системы автоматики, и нужна чистка датчика. При повышенной температуре на электродах осаждается также накипь, что требует более частой чистки.
В корпусах фотосопротивлений и фотоголовок активный элемент защищен стеклом, через которое он освещается. Стекло может загрязняться, а у датчиков пламени топок покрываться сажей, поэтому стекло датчиков нужно периодически чистить.
На датчик может влиять посторонний свет, нарушая работу установки. Например, освещение датчика наружного освещения ночью вызывает отключение наружного освещения. Освещение может быть фарами машин, от близко расположенного светильника, от снежной поверхности. Для защиты от случайного освещения можно применить козырек из жести, влияние снежного покрова можно устранить регулировкой переменного резистора в цепи фотореле.
На работу контактных механических датчиков влияют условия среды. Сырость, агрессивная среда приводят к окислению контактов и всех металлических деталей, так что датчик трудно разобрать для ремонта, и приходится его заменять. При понижении температуры при наличии сырости все подвижные детали смерзаются и заклиниваются, и датчик перестает работать. Запыленность также ведет к отказу датчиков.
Всех этих недостатков лишены бесконтактные датчики перемещения. Они также безопасны, так как электронное устройство имеет малое напряжение питания — 12 В.
Pиc. 2.40. Электрическая схема электроконтактного манометра
Рис. 2.38. Схема термопреобразователя сопротивления
Рис. 2.39. Схема манометрического термометра
Рис. 2.41. Бесконтактный датчик перемещения типа КВД—6
Рис. 2.42. Коррекция системы автоматического управления насосом с электроконтактным манометром
Таблица 2.51 ДАННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОВОДОВ
Таблица 2.52 НЕИСПРАВНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ С ПРИБОРОМ
2.13. Провода и кабели
2.13. Провода и кабели
Влияния внешней среды
Надежная работа проводов и кабелей зависит от их правильного выбора по условиям внешней среды и току нагрузки. Провода и кабели в электроустановках предназначены для определенных способов прокладки, которые следует учитывать. Как правило, изолированные провода не прокладываются незащищенными и должны прокладываться в трубах, лотках и коробах, под штукатуркой. Кабели в местах, где возможно их механическое повреждение, прокладываются в трубах. Это относится и к бронированным кабелям, потому что броня и герметичные оболочки могут повредиться при различных ударах, например, при задевании перемещаемым грузом. Следует также учитывать, что провода и кабели могут повредиться и в трубах от действия воды и агрессивных жидкостей, действующих на изоляцию. Вода, попавшая в трубы с проводами и кабелями с резиновой изоляцией, ухудшает состояние изоляции, что может привести к замыканию между проводами, жилами кабелей или их замыканию на металл трубы. Обычно выходят из строя провода с резиновой изоляцией в хлопчатобумажной оплетке.
При замерзании воды в трубах лед может разорвать провода и кабели. Для предотвращения попадания воды в трубы с проводами или кабелями все отверстия в трубах нужно заделывать водонепроницаемой мастикой.
Кроме воды, на резиновую изоляцию влияют нефтепродукты, например, печное топливо, смазочные масла, что приводит к разбуханию резиновой изоляции и утрате ею всех необходимых свойств. Поэтому при возможности действия этих продуктов лучше применять кабели или провода с пластмассовой изоляцией.
Отрицательная температура приводит к отвердеванию изоляции, особенно пластмассовой, что приводит к ее растрескиванию и отколу при изгибе проводов. Это нужно учитывать при монтаже проводов и кабелей и при выборе кабелей для передвижных механизмов.
Перегрузка током проводов и кабелей приводит прежде всего к обгоранию изоляции у мест присоединения проводов к аппаратам или к электроприемникам. Возможно не только обгорание изоляции проводов, но и деталей корпусов, к которым крепятся токоведущие части, что приводит к выходу из строя аппаратов и панелей коробок зажимов электроприемников. Устранить это явление можно только заменой проводов или кабелей.
При перегрузке током могут загореться и сами провода и кабели.
Выбор проводов и кабелей
При выборе проводов и кабелей надо учитывать условия внешней среды в месте их прокладки, напряжение, при котором они будут работать, и ток нагрузки.
При выборе проводов и кабелей по длительно допустимому току его величину можно приблизительно определить по величине тока на 1 кВт мощности электродвигателя.
Как известно, номинальная мощность двигателя, кВт,
Эти приблизительные значения тока нагрузки можно принять, так как нельзя подобрать кабель или провод, имеющий точно такой длительно допускаемый ток, какой получается при точном расчете, и сечение проводов и кабелей выбирается с запасом.
Провода и кабели выбираются по известному току нагрузки по таблицам длительно допустимого тока нагрузки. При этом учитывается также допустимый способ прокладки проводов и кабелей.
Длительно допустимые токи нагрузки для некоторых распространенных в применении проводов и кабелей приведены в табл. 2.53 и 2.54, способы прокладки проводов и кабелей — в табл. 2.55.
Таблица 2.53 ДОПУСТИМЫЕ ДЛИТЕЛЬНЫЕ ТОКИ*
* Для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми (А) и медными (М) жилами.
Принятое сечение жил проводов и кабелей должно быть не менее значений, приведенных в табл. 2.56.
Отказы проводов и кабелей
Надежность проводов и кабелей обусловлена их надежностью после изготовления, монтажа и условиями окружающей среды при эксплуатации. Во время монтажа кабели могут быть повреждены при неосторожном обращении. При изготов
лении кабели и провода наматываются на барабаны или укладываются в бухты. При отматывании кабели с жесткой изоляцией собираются в кольца, и если их растянуть, не расправляя, то будет перегиб кабеля или излом. Кабель а этом месте будет ненадежным, поэтому его применять нельзя. Могут быть и другие повреждения изоляции и токоведущих жил при монтаже, некоторые уменьшают надежность при эксплуатации.
Таблица 2.54 ДОПУСТИМЫЕ ДЛИТЕЛЬНЫЕ ТОКИ*
* Для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных (А), и для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией в металлических защитных оболочках и кабелей с медными жилами с резиновой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной, найритовой или резиновой оболочке бронированных и небронированных (М).
Через поврежденную изоляцию к токоведущим жилам может проникать влага, содержащая агрессивные примеси, или воздух с агрессивными газами, приводящие к коррозии металла провода. В таких условиях особенно сильно происходит коррозия алюминия, что может привести к полному обрыву жилы. В таких случаях лучше всего заменить провод или кабель, а если он большой длины, то приходится вставлять новый участок провода или кабеля. Если провод или кабель
Таблица 2. 55 СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ
Окончание табл. 2. 55
недоступен для замены, то он отсоединяется, а новый прокладывается в доступном месте.
Для соединения кабелей с приемниками электроэнергии, аппаратами и с другими кабелями производится разделка их концов. При этом производится отделение жил кабелей от общей изоляции и изолирование их отдельно с помощью изолирующих полихлорвиниловых лент, клеев и других составов или заливка мест разделки кабелей с помощью специальных муфт и воронок разогретой массой или холодной затвердевающей массой. При этом разделку кабелей с пластмассовой изоляцией нельзя производить заливкой разогретой массой, так как при высокой температуре может повредиться изоляция.
Как показывает практика, места разделки кабелей являются слабыми по надежности, так как в этих местах происходит замыкание с перегоранием жил. Происходит это тогда, когда применен не соответствующий материал или разделка произведена небрежно. Места разделки кабелей должны быть под наблюдением и защищены от различных вредных воздействий.
Следует учитывать возможность повреждения проводов и кабелей грызунами, которые повреждают любую изоляцию. Например, крысы сгрызают изоляцию до металла провода.
Насекомые также не все безобидны. Осы хотя и не повреждают изоляцию, но вьют гнезда в ящиках и шкафах, при открывании которых электриком они могут помешать ему в ответственный момент.
Таблица 2.56 НАИМЕНЬШИЕ СЕЧЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ЖИЛ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ
Мухи, забираясь между контактами и в зазоры, могут нарушать работу аппаратов.
При возможности повреждения изоляции грызунами провода и кабели должны прокладываться в трубах, коробах и каналах с заделкой мест их ввода различными мастиками и растворами, например, цементным.
При наличии насекомых места ввода проводов и кабелей в корпуса аппаратов и шкафы нужно уплотнять заводскими уплотнениями или замазывать различными составами,
Таблица 2. 55 СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ (окончание)
Таблица 2. 55 СПОСОБЫ ПРОКЛАДКИ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ
Таблица 2.53 ДОПУСТИМЫЕ ДЛИТЕЛЬНЫЕ ТОКИ для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми (А) и м
Таблица 2.54 ДОПУСТИМЫЕ ДЛИТЕЛЬНЫЕ ТОКИ для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией
Таблица 2.56 НАИМЕНЬШИЕ СЕЧЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ЖИЛ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ
Ф.1 К определению номинальной мощности двигателя
3.Токи короткого замыкания.
3.Токи короткого замыкания.
Основные понятия
Коротким замыканием (КЗ) называется соединение токоведущих частей разных фаз или потенциалов между собой или на корпус оборудования, соединенный с землей, в сетях электроснабжения или в электроприемниках. КЗ может.быть по разным причинам: ухудшение сопротивления изоляции во влажной или химически активной среде, при недопустимом перегреве изоляции, механические воздействия, ошибочные воздействия персонала при обслуживании и ремонте и т. д.
Как видно из самого названия процесса, при КЗ путь тока укорачивается, т. е. он идет, минуя сопротивление нагрузки, поэтому он может увеличиться до недопустимых величин, если напряжение не отключится под действием защиты.
Но напряжение может не отключиться и при наличии защиты, если КЗ случилось в удаленной точке, и из-за большого сопротивления до места КЗ ток недостаточен для срабатывания защиты. Но этот ток может быть достаточным для загорания проводов, что может привести к пожару.
Отсюда возникает необходимость расчета тока короткого замыкания — ТКЗ. Величина ТКЗ может меняться, если к сети электроснабжения присоединяются другие электроприемники в более удаленных местах. В таких случаях снова производится расчет ТКЗ в месте установки новых электроприемников.
ТКЗ производит также электродинамическое действие на аппараты и проводники, когда их детали могут деформироваться под действием механических сил, возникающих при больших токах.
Термическое действие ТКЗ заключается в перегреве аппаратов и проводов. Поэтому при выборе аппаратов их нужно проверять по условиям КЗ, с тем чтобы они выдержали ТКЗ в месте их установки.
Как известно, наряду с сетями с глухозаземленной нейтралью существуют сети с изолированной нейтралью. Рассмотрим характерные отличия этих сетей при КЗ.
На практике в большинстве случаев происходят однофазные короткие замыкания. В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной фазы с землей режим не является коротким замыканием и бесперебойность электроснабжения не
нарушается, но он должен быть отключен, так как соответствует аварийному состоянию. При замыкании одной фазы на землю в данной сети напряжения на двух других фазах повышаются в 1,73 раза, а напряжение на нулевой точке становится равным фазному напряжению относительно земли, (рис. 4.2, в).
В сетях с глухозаземленной нейтралью при соединении провода с землей сгорает предохранитель или срабатывает автоматический выключатель, при этом электроснабжение нарушается, а при сгорании предохранителя могут повредиться обмотки двигателей при работе на двух фазах.
Расчет тока короткого замыкания
Для расчета тока короткого замыкания можно пользоваться формулой
где Rп — активное сопротивление одного провода цепи КЗ, равное произведению удельного сопротивления провода на его длину (удельное сопротивление проводов в Ом/км приводится в справочниках), Xп — то же индуктивное сопротивление, рассчитывается по удельному индуктивному сопротивлению, которое принимается равным 0,6 Ом/км;
Zt — полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низкого напряжения, которое можно определить по формуле
где Uk%— напряжение короткого замыкания трансформатора, приводится в справочниках, Iн, Uн — номинальные ток и напряжение трансформатора, даются в справочниках.
Отсюда полное сопротивление фазной обмотки трансформатора, Ом,
Ф.1 Расчет тока короткого замыкания
Ф.2 Полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низкого напряжения
Ф.3 Полное сопротивление фазной обмотки трансформатора
4. Электробезопасность
4. Электробезопасность
4.1. Системы с изолированной и заземленной нейтралью источника напряжения или трансформатора и опасность при касании человеком т
4.1. Системы с изолированной и заземленной нейтралью источника напряжения или трансформатора и опасность при касании человеком токоведущей части
Электроустановки могут входить в системы с глухозаземленной или изолированной нейтралью генератора или трансформатора. Нейтраль представляет собой общую точку соединенных обмоток генератора или трансформатора, потенциал которой в нормальных условиях нагрузки равен нулю, поэтому она также называется нулевой точкой.
Глухозаземленная нейтраль получается тогда, когда она соединяется с землей системой проводников и электродов, находящихся в земле около места установки генератора или трансформатора. От нейтрали идет провод, называемый нулевым, который соединяется с корпусом каждого приемника энергии. Системы с глухозаземленной нейтралью применяются для питания большинства производственных и бытовых электроприемников.
В системах с изолированной нейтралью нулевая точка не заземляется. На рис. 4.1 представлена схема сети трехфазного тока с изолированной нейтралью при касании человеком фазного провода. Изоляция каждого провода не является идеальной и имеет утечку на землю с сопротивлениями r1,r2,r3 и емкость относительно земли с емкостными сопротивлениями xc1,xc2,xc3. Эти сопротивления можно представить в виде звезд с нейтральными точками, замкнутыми на землю, и они также составляют полные сопротивления фаз сети, которым соответствуют полные проводимости. Проводимости создают замкнутые через землю цепи, связывающие между собой провода сети. Сопротивление тела человека частично замещает сопротивление фазы, которой он касается, в случае рис. 4.1 — r1 и xc1 и через тело человека проходит ток, нарушающий симметрию сопротивлений утечек и емкостей.
Представим фазные напряжения в виде звезды с лучами ОА, OВ, ОС, тогда линейные напряжения образуют треугольник со сторонами АВ, ВС, СА, соответствующими линейным напряжениям (рис. 4.2, а).
Рис. 4.2. Векторные диаграммы напряжений сети трехфазного тока с изолированной нейтралью:
а) активные и емкостные сопротивления проводов сети одинаковы; б) ухудшение сопротивления изоляции фазы А; в) замыкание на землю фазы А.
При равенстве r1=r2=r3 и хc1= хc2= хc3 равны по величине и фазные напряжения (рис. 4.2, а). Напряжения фаз сети по отношению к земле (точка О) равны фазным напряжениям.
При увеличении проводимости одной из фаз, например, фазы А, симметрия системы нарушается, напряжение фазы А по отношению к земле (точка О) снижается, а напряжения других фаз возрастают (рис. 4.2, б).
При полном нарушении изоляции фазы А относительно земли (глухое заземление) эта фаза приобретает потенциал земли или близкий к нему, напряжения других фаз по отношению к земле (0'В и 0'С] возрастают до линейных напряжений (АС и АВ), т. е. увеличиваются в 3^0.5 раз, а напряжение нулевой точки по отношению к земле возрастает до фазного (OO' = ОА).
Если напряжение фазы А по отношению к земле становится равным нулю, можно принять, что пути токов утечки и емкости этой фазы на землю шунтируются через место замыкания фазы А на землю током замыкания. Через место
замыкания на землю фазы А будет проходить ток, равный геометрической сумме токов утечки и емкостных других фаз (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Трехфазная сеть с изолированной нейтралью с замыканием на землю одной фазы.
Как следует из диаграмм рис. 4.2, линейные напряжения во всех рассмотренных случаях остаются неизменными, и замыкание на землю одной фазы не влияет на работу электроприемников.
Чем больше проводимость изоляции утечки и емкостная по отношению к земле, тем большую опасность представляет прикосновение человека к токоведущей части. Если одна фаза имеет замыкание на землю, то прикосновение человека к другим фазам представляет наибольшую опасность, так как при этом человек оказывается под линейным напряжением (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Касание человеком токоведущей части в сети с изолированной нейтралью при коротком замыкании другой фазы.
Если нейтраль заземлена, фазные напряжения по отношению к земле остаются постоянными и равными фазному напряжению. При нарушении изоляции одной из фаз по отношению к земле нейтраль может получить незначительное смещение.
Прикосновение человека к одной из фаз создает цепь тока: проводник—тело человека—земля—заземленный нулевой провод—общая точка обмоток (рис. 4.5). Напряжение прикосновения человека- будет частью фазного напряжения, и ток, проходящий через человека, не зависит от токов утечки и емкостных токов других фаз, так как цепь замыкания через сопротивление нейтрали имеет меньшее сопротивление, чем сопротивления утечки и емкостные сопротивления этих фаз, т. е. эти сопротивления оказываются зашунтированными.
Рис. 4.5. Касание человеком токоведущеи части в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью.
Прикосновение человека к токоведущей части может быть замыканием на заземленную часть электроустановки — замыканием на корпус, или замыканием непосредственно на землю. Здесь имеется различие, так как в последнем случае имеет значение большое переходное сопротивление в месте контакта человека с землей.
В системе с заземленной нейтралью при замыкании провода на землю создается путь тока от места замыкания через землю и нулевую точку к обмоткам других фаз генератора или трансформатора, и защита срабатывает. В случае касания провода человеком он оказывается под фазным напряжением и не может оказаться под линейным напряжением.
С точки зрения опасности прикосновения человека к токоведущей части система с изолированной нейтралью представляется более опасной по величине напряжения, под которым может оказаться человек, если не надежно работают устройства защиты.
Рис. 4.1. Схема сети трехфазного тока с изолированной нейтралью при касании человеком токоведущей части
Рис. 4.2. Векторные диаграммы напряжений сети трехфазного тока с изолированной нейтралью:
Рис. 4.3. Трехфазная сеть с изолированной нейтралью с замыканием на землю одной фазы.
Рис. 4.4. Касание человеком токоведущей части в сети с изолированной нейтралью при коротком замыкании другой фазы.
Рис. 4.5. Касание человеком токоведущеи части в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью.
4.2. Действие электрического тока на человека
4.2. Действие электрического тока на человека
В зависимости от условий, при которых человек подвергается действию электрического тока, последствия этого действия могут быть различны. Но всегда нужно ожидать его действия на нервную систему, которое наиболее опасно. Как известно, работа сердца регулируется нервными импульсами, исходящими от нервной системы, под действием которых происходит его сокращение в определенном ритме. Дыхание также управляется нервной системой. Действие электрического тока нарушает воздействия нервной системы на работу сердца и дыхания, что может привести к беспорядочному сокращению мышц сердца, называемому фибрилляцией, что равносильно его остановке, и к остановке дыхания, что ведет к смерти.
Воздействия тока на нервную систему выражаются в виде электрического удара и шока.
Электрический удар в зависимости от последствий можно условно разделить на пять степеней:
1 — едва ощутимое сокращение мышц;
2 — судорожное сокращение мышц с сильными болями, без потери сознания, при этом могут быть механические травмы под действием сокращения мышц;
3 — судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися работой сердца и дыхания;
4 — потеря сознания с нарушением работы сердца и дыхания;
5 — клиническая смерть, когда человек не дышит и у него не работает сердце и отсутствуют другие признаки жизни.
При своевременной помощи человека можно вернуть к жизни.
Электрический шок имеет фазы возбуждения и торможения.
Фаза возбуждения характеризуется сохранением активности и работоспособности, но потом она переходит в фазу торможения, которая характеризуется понижением давления, учащением пульса, ослаблением дыхания, возникает угнетенное состояние, потом клиническая смерть, которая без оказания помощи может перейти в биологическую.
Возможны и другие воздействия тока на человека.
Тепловое воздействие характеризуется различными ожогами, химическое воздействие сопровождается электролизом крови и других растворов в организме, нарушением их химического состава и функций в организме. Механическое воздействие приводит к различным травмам частей тела под действием непроизвольного сокращения мышц.
Основное значение при действии на человека имеет величина проходящего через его тело тока, но влияет и род тока, его частота, путь тока через тело человека, продолжительность действия тока и индивидуальные особенности пострадавшего.
Различные величины тока частотой 50 Гц действуют следующим образом:
5...10 мА — боль в мышцах, судорожные их сокращения, руки с трудом можно оторвать от электродов;
10...20 мА — боли, руки невозможно оторвать от электродов;
25...50 мА — боль в руках и груди, дыхание затруднено, возможен паралич дыхания и потеря сознания;
50...80 мА — при длительном действии возможна клиническая смерть;
100 мА и более — при длительности более 3 с возможна клиническая смерть.
На рис. 4.6 показана эквивалентная схема сопротивления тела человека при его касании проводников так, что ток идет через тело. Сопротивление тела человека Zt зависит от активного сопротивления кожи Rк, емкости наружных слоев кожи Ск и внутреннего сопротивления тела человека Rт.
Рис. 4.6. Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека при напряжении прикосновения менее 50 В.
При постоянном токе, а также при малых напряжениях прикосновения (до 42 В) переменного тока частотой 50 Гц полное сопротивление тела человека может быть вычислено по формуле
Zt = 2Rк + Rт
и составляет 6... 100 кОм.
При напряжении прикосновения более 50 В происходит электрический пробой кожи, при этом полное сопротивление тела человека уменьшается и становится равным Zt = Rt.
При расчетах сопротивление тела человека принимается равным 1 кОм при напряжении прикосновения 50 В и более и 6 кОм при напряжении прикосновения до 42 В.
Предельно допустимые величины напряжений прикосновения и токов, протекающих через тело человека, нормируются в зависимости от режима работы электроустановки — нормального или аварийного, вида установок — бытовых или производственных, длительности воздействия тока.
В аварийном режиме бытовых электроустановок при длительности воздействия более 1 с допустимые величины напряжения 12 В и тока 2 мА.
В аварийных режимах производственных электроустановок допустимые величины напряжения прикосновения и тока, проходящего через человека:
переменный ток 50 Гц 36 В 6 мА 400 Гц 36 В 8 мА постоянный ток 40 В 15 мА
при длительности воздействия более 1 с.
Рис. 4.6. Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека при напряжении прикосновения менее 50 В.
4.3. Первая помощь пострадавшему от электрического тока
4.3. Первая помощь пострадавшему от электрического тока
Оказывающий помощь должен знать признаки нарушения жизнедеятельности человека и уметь оказывать первую помощь пострадавшему.
Первая помощь пострадавшему от тока заключается в освобождении его от действия электрического тока, определении степени поражения и последовательности мероприятий по спасению пострадавшего, проведении мероприятий по спасению и поддержанию его жизненных функций, вызове медицинского работника или доставке пострадавшего в лечебное учреждение.
Освобождение пострадавшего от действия электрического тока может быть осуществлено или отключением тока, или отделением пострадавшего от токоведущих частей, или отделением пострадавшего от земли. Отключение тока может быть произведено ближайшим выключателем, снятием предохранителей, .рассоединением штепсельного разъема, перерубанием или перекусыванием инструментом проводов с учетом имеющегося в них напряжения. Если пострадавший находится на высоте, то нужно принять меры против его падения при выключении тока. при искусственном освещении нужно быть готовым к отсутствию освещения при выключении тока.
Отделение пострадавшего от токоведущих .частей можно производить отбрасыванием провода от пострадавшего или оттаскиванием пострадавшего от провода.
Отбрасывание провода можно производить любым предметом из непроводящего материала, рукой в диэлектрической перчатке или обмотанной тканью.
Оттаскивание пострадавшего можно производить за его сухую одежду, а если нет такой возможности, то освобождающий оттягивает пострадавшего руками, защищенными от электрического тока.
Отделить пострадавшего от земли можно, оттянув его ноги изолированным предметом или одеждой и положив под ноги изолирующий предмет.
Степень поражения и последовательность мероприятий по спасению пострадавшего определяют по состоянию сознания, цвету кожи и губ, характеру дыхания и пульса.
Если у пострадавшего отсутствуют дыхание и пульс, то немедленно нужно приступить к его оживлению путем искусственного дыхания и наружного массажа сердца;
пострадавший дышит редко и судорожно, но у него прощупывается пульс — начать делать искусственное дыхание;
пострадавший в сознании с устойчивым дыханием и пульсом — нужно его уложить на одежду или другую подстилку, расстегнуть одежду, стесняющую дыхание, дать приток свежего воздуха, согреть при охлаждении и дать прохладу в жару;
пострадавший находится в бессознательном состоянии при наличии дыхания и пульса — наблюдать за его дыханием; в случае нарушения дыхания при западении языка выдвинуть нижнюю челюсть вперед и поддерживать ее в таком состоянии до прекращения западения языка.
Нельзя давать пострадавшему двигаться даже при нормальном состоянии.
Наиболее эффективным способом искусственного дыхания является способ «изо рта в рот» или «изо рта в нос».
При проведении искусственного дыхания нужно уложить пострадавшего на спину, расстегнуть стесняющую дыхание одежду, восстановить проходимость верхних дыхательных путей, которые могут быть закрыты запавшим языком, для чего:
встать на колени сбоку от пострадавшего, одну руку положить под шею пострадавшему, а ладонью другой руки нажимать на его лоб, запрокидывая голову, при этом корень языка поднимается и рот открывается, освобождая путь проходу воздуха, после этого под шею пострадавшему можно подложить валик из одежды или другой предмет;
наклониться к лицу пострадавшего, сделать глубокий вдох открытым ртом, охватить губами рот пострадавшего, закрыв его нос своей щекой или двумя пальцами руки, находящейся на его лбу, сделать выдох, вдувая воздух в его рот;
при поднятии грудной клетки пострадавшего, что говорит о входе воздуха, отвернуть лицо для вдоха, при этом интервал между искусственными вдохами должен составлять 5 с.
Если при вдувании воздуха грудная клетка не поднимается, что говорит о препятствии для входа воздуха, необходимо выдвинуть вперед нижнюю челюсть пострадавшего. Для этого пальцами обеих рук захватывается нижняя челюсть сзади за углы, большие пальцы упираются в край челюсти ниже рта, челюсть выдвигается вперед так, чтобы нижние зубы были впереди верхних.
Показателем эффективности искусственного дыхания, кроме подъема грудной клетки, является порозовение кожных покровов, появление сознания и дыхания у пострадавшего.
Искусственное дыхание «изо рта в нос» производится при невозможности открыть его рот при стиснутых зубах.
Наружный массаж сердца делается при проведении искусственного дыхания при отсутствии пульса, бледности кожных покровов.
После подготовительных мероприятий, приведенных выше, делается два вдувания воздуха по одному из указанных выше способов,
потом оказывающий помощь приподнимается, кладет ладонь одной руки на нижнюю половину грудины, приподняв пальцы, ладонь второй руки кладет на первую и надавливает на руки, помогая весом своего тела, при этом руки должны быть выпрямлены. Надавливание должно производиться быстрыми толчками, так чтобы грудина смещалась на 4...5 см. Продолжительность надавливания и интервал между надавливаниями по 0,5 с, количество надавливаний — 12—15 на каждые два вдувания.
Если помощь оказывают два человека, то вдувания и надавливания производятся попеременно, при этом на одно вдувание можно производить 5 надавливаний в том же темпе.
После восстановления сердечной деятельности массаж сердца прекращается, при слабом дыхании продолжается проведение искусственного дыхания до восстановления полноценного дыхания.
При неэффективности мероприятий по оживлению они прекращаются через 30 мин.
4.4. Способы защиты от поражения электрическим током в электроустановках
4.4. Способы защиты от поражения электрическим током в электроустановках
Общие сведения
Существуют следующие способы защиты, применяемые отдельно или в сочетании друг с другом: защитное заземление, зануление, защитное отключение, электрическое разделение сетей разного напряжения, применение малого напряжения, изоляция токоведущих частей, выравнивание потенциалов.
В электроустановках (ЭУ) напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в ЭУ постоянного тока с изолированной средней точкой применяют защитное заземление в сочетании с контролем изоляции или защитное отключение.
В этих электроустановках сеть напряжением до 1000 В, связанную с сетью напряжением выше 1000 В через трансформатор, защищают от появления в этой сети высокого напряжения при повреждении изоляции между обмотками низшего и высшего напряжения пробивным предохранителем, который может быть установлен в каждой фазе на стороне низшего напряжения трансформатора.
В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью или заземленной средней точкой в ЭУ постоянного тока применяется зануление или защитное отключение. В этих ЭУ заземление корпусов электроприемников без их заземления запрещается.
Защитное отключение применяется в качестве основного или дополнительного способа защиты в случае, если не может быть обеспечена безопасность применением защитного заземления или зануления или их применение вызывает трудности
При невозможности применения защитного заземления. зануления или защитного отключения допускается обслуживание ЭУ с изолирующих площадок.
Защитное заземление
Заземлением (рис. 4.7) называется соединение с землей нетоковедущих металлических частей электрооборудования через металлические детали, закладываемые в землю и называемые заземлителями, и детали, прокладываемые между заземлителями и корпусами электрооборудования, называемые заземляющими проводниками. Проводники и заземлители обычно делаются из низкоуглеродистой стали, называемой в просторечии железом.
Заземлители в виде штырей, вбиваемых в землю, называются электродами, и могут быть одиночными или групповыми. Заземлитель имеет характеристики, обусловленные стеканием по нему тока в землю. К характеристикам заземлителя относятся:
напряжение на заземлителе;
изменение потенциалов точек в земле вокруг заземлителя в зависимости от их расстояния от заземлителя в зоне растекания тока — вид потенциальной кривой;
вид линий равного потенциала — эквипотенциальных линий на поверхности земли;
сопротивление заземляющего устройства;
напряжения прикосновения и шага.
На рис. 4.8 показана схема простого заземлителя в виде стержня или трубы, забиваемых в землю и вид потенциальных кривых и эквипотенциальных линий.
При расстоянии менее 40 м между одиночными заземлителями в групповом заземлителе их зоны растекания накладываются друг на друга, и получается одна зона растекания группового заземлителя, которой соответствует своя потенциальная кривая.
Напряжение прикосновения
Напряжением прикосновения называется напряжение на корпусе электрооборудования с поврежденной изоляцией, к которому может прикоснуться человек. Это напряжение зависит от состояния заземления, расстояния между человеком и заземлителем, сопротивления основания, на котором стоит человек.
На рис. 4.9, о показано влияние положения человека относительно заземлителя при одиночном заземлителе на величину напряжения прикосновения. Напряжение прикосновения максимально в положении 1 человека, когда он стоит в зоне нулевого потенциала и касается заземленного оборудования;
равняется нулю в положении 2, когда человек стоит на заземлителе или его проекции на поверхность земли, в некотором промежуточном положении человека напряжение прикосновения имеет промежуточное значение, которое меняется от О до Uз.
На рис. 4.9, б показана зависимость напряжения прикосновения от положения человека при групповом заземлителе. В
этом случае Uпp имеет наибольшее значение в положении 1 человека, когда он находится между электродами заземлителя, наименьшее значение в положении 2, когда он стоит на заземлителе или его проекции на поверхность земли, в любом промежуточном положении Uпр изменяется от 6 до максимального значения.
При одиночном и групповом заземлителях напряжение прикосновения
Напряжение шага
Напряжение шага возникает между ногами человека, стоящего на земле, из-за разности потенциалов на поверхности земли при растекании в земле тока замыкания на землю. Напряжение шага отсутствует, если человек стоит или на линии равного потенциала или вне зоны растекания тока, т. е. на расстоянии более 20 м от заземлителя.
На рис. 4.10 показана зависимость величины напряжения шага от расстояния между человеком и одиночным заземлите-
лем. Напряжение шага наибольшее в положении 1 человека, когда он стоит одной ногой на заземлителе. В положении человека между заземлителем и зоной нулевого потенциала, когда шаг направлен по радиусу к заземлителю, напряжение шага имеет промежуточное значение.
Заземление предназначается для устранения опасности поражения человека электрическим током во время прикосновения к нетоковедущим частям, находящимся под напряжением. Это достигается путем снижения до безопасных пределов напряжения прикосновения и шага за счет малого сопротивления заземлителя. Областью применения защитного заземления
являются сети переменного и постоянного тока с изолированной нейтралью источника напряжения или трансформатора.
Не требуют защитного заземления электроустановки переменного тока напряжением до 42 В и постоянного тока до 110 В.
Величина сопротивления заземляющего устройства нормируется «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ). Эта величина для электроустановок до 1000 В с изолированной нейтралью должна быть не более 4 Ом, а если мощность питающих сеть генераторов или трансформаторов, или их суммарная мощность не более 100 кВА, то сопротивление должно быть не более 10 Ом.
Для заземления могут быть использованы детали уже существующих сооружений, которые называются естественными заземлителями:
металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей;
металлические трубопроводы, проложенные в земле, за исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов;
свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;
обсадные трубы скважин и т. д.
Наименьшие размеры электродов искусственных заземлителей:
диаметр круглых электродов, мм
неоцинкованных................... 10
оцинкованных .................... 6
сечение прямоугольных электродов, мм^2 ... 48
толщина прямоугольных электродов, мм ... 4
толщина полок угловой стали, мм ........ 4
В качестве заземляющих и нулевых (см. ниже) проводников, соединяющих корпуса оборудования с заземлителями, могут применяться:
специальные проводники;
металлические конструкции оборудования и зданий;
стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей;
металлические открыто расположенные трубопроводы всех назначений, за исключением трубопроводов для горючих жидкостей и газов, канализации и центрального отопления.
Запрещается использовать в качестве заземляющих и нулевых проводников алюминиевые провода для прокладки в земле, металлические оболочки трубчатых проводов, несущие тросы тросовой проводки, металлорукава, броню и свинцовые оболочки проводов и кабелей.
Минимальные размеры заземляющих и нулевых проводников показаны в табл. 4.2.
Таблица 4.2 МИНИМАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ И НУЛЕВЫХ ПРОВОДНИКОВ
Проводники присоединяют к корпусам оборудования сваркой или болтовым соединением с обеспечением доступности для контроля или переделки при ухудшении контакта. Последовательное включение в цепь заземления или зануления отдельных корпусов оборудования запрещается.
При монтаже заземляющих устройств монтажной организацией контроль за работами производится со стороны заказчика. При этом отдельно принимаются работы, которые впоследствии будут скрыты, и в это время, а не после, подписываются акты на скрытые работы.
Монтажные организации сдают заказчику всю документацию на заземляющие устройства. На каждое устройство заводится паспорт, в котором отмечаются все изменения, результаты осмотров и измерений.
При проверке состояния заземления периодически проводятся осмотр видимой части, проверка цепи между заземлителем и заземляемыми элементами, измерение сопротивления заземляющего устройства, выборочное вскрытие грунта для осмотра элементов, находящихся в земле.
Измерение сопротивления заземляющего устройства
Измерения обычно производят с помощью специального прибора — измерителя заземлений, например, М-416, работающего на принципе амперметра—вольтметра. При измерении сопротивления сложного контура (рис. 4.11, о), имеющего наибольшую диагональ Д, токовый электрод Eт располагают на расстоянии l1 = 2Д от края данного контура, а потенциальный электрод En — поочередно на расстояниях 0,4, 0,6, 0,5l фиксируя показания прибора. Если сопротивления, полученные при установке Еп на расстояниях, 0,4 и 0,6l1 отличаются не более 10%, то принимают значение сопротивления, полученное в положении потенциального электрода на расстоянии 0,5l1 а если различие больше 10%, то или повторяют измерения при увеличении расстояния до Ет в 1.5...2 раза, или производят измерения при изменении направления токового электрода.
Для вертикальных электродов, расположенных в ряд и соединенных полосой или для заземлителя, состоящего из полосы, длину полосы принимают за величину Д.
Токовый электрод (рис. 4.11, б) располагают на расстоянии от края испытываемого заземлителя:
при Д > 40 м l2 = 2Д, при 10 м < Д <= 40 м l2 > 80 м,
при Д<= 10 м l2 = 40 м.
Потенциальный электрод располагается на расстоянии 0,54. Измерение сопротивления заземления производится, когда оно имеет наибольшие значения: для северных районов и средней полосы — зимой при наибольшем промерзании почвы, для южных районов — когда почва наиболее сухая.
Во время приемо-сдаточных испытаний измеренные значения сопротивлении умножают на коэффициент сезонности, который берется из таблицы.
Зануление
Зануление (рис. 4.12) предусматривает глухое заземление нейтрали источника или трансформатора трехфазного тока, одного вывода источника однофазного тока, наличие нулевого провода и его повторного заземления.
Заземление нейтрали источника тока имеет целью понизить напряжение на корпусах оборудования и на нулевом проводе, с которым эти корпуса соединены, до безопасного значения при замыкании фазного проводника на землю, при этом создается путь для тока Iф-з (рис. 4.12).
Нулевой защитный проводник предназначен для увеличения тока короткого замыкания lk c целью воздействия этого тока на защиту. Увеличение lк происходит за счет уменьшения сопротивления току при наличии нулевого провода по сравнению с тем, если бы ток шел через землю.
Повторное заземление нулевого провода предназначено для снижения напряжения на корпусах оборудования при замыкании фазы на корпус как при исправном, так и при оборванном нулевом проводе.
Зануление в электроустановках до 1000 В применяется в 4-проводных сетях с глухозаземленной нейтралью трансфор
матора ипи генератора, в сетях с заземленным выводом источника однофазного тока, в сетях с заземленной средней точкой источника постоянного тока. Зануление выполняется в тех же случаях, что и защитное заземление.
Предельные величины сопротивлений заземляющих устройств в системе зануления приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3 ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМЕ ЗАНУЛЕНИЯ
В качестве нулевых защитных проводников используются нулевые рабочие проводники, за исключением проводников ч передвижным электроприемникам. В цепи нулевых защитных проводников не должно быть аппаратов, разъединяющих эти проводники, в том числе предохранителей.
Проверка зануления на соответствие требованиям ПУЭ производится во время монтажа, при сдаче после монтажа и при эксплуатации.
Проверяют следующие параметры:
сопротивление заземлений нейтрали и повторных;
отношение тока однофазного КЗ на корпус и номинального тока плавкой вставки предохранителя или тока уставки автомата на контролируемом участке сети, причем это отношение должно быть не менее 3, а для автоматов только с электромагнитными расцепителями на номинальный ток до 100 А кратность должна быть не менее 1,4 и для автоматов на ток более 100 А — 1,25.
Защитное отключение
Устройство защитного отключения (УЗО) состоит из чувствительного элемента, реагирующего на изменение контролируемой величины, и исполнительного органа, отключающего соответствующий участок сети.
Чувствительный элемент может реагировать на потенциал корпуса, ток замыкания на землю, напряжение и ток нулевой последовательности, оперативный ток. В качестве выключателей могут применяться контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели с независимым расцепителем, специальные выключатели для УЗО.
Назначение УЗО — защита от поражения электрическим током путем отключения ЭУ при появлении опасности замыкания на корпус оборудования или непосредственно при касании тоговедущих частей человеком.
УЗО применяется в ЭУ напряжением до 1000 В с изолированной или глухозаземленной нейтралью в качестве основного или дополнительного технического способа защиты, если безопасность не может быть обеспечена путем применения заземления или зануления или если заземление или зануление не могут быть выполнены по некоторым причинам.
УЗО обязательно для контроля изоляции и отключения ЭУ при снижении сопротивления изоляции в ЭУ специального назначения, например, в подземных горных выработках (реле утечки).
Примером УЗО является защитно-отключающее устройство типа ЗОУП—25, предназначенное для отключения и включения силовых трехфазных цепей при напряжении 380 В и токе 25 А в системах с глухозаземленной нейтралью, а также для защиты людей при касании токоведущих частей или корпусов оборудования, оказавшихся под напряжением.
Электрическое разделение сетей
Электрическое разделение сетей осуществляется через специальный разделительный трансформатор, который отделяет сеть с изолированной или глухозаземленной нейтралью от участка сети, питающего электроприемник. При этом связь между питающей сетью и сетью приемника осуществляется через магнитные поля, участок сети приемника и сам приемник не связываются с землей. Разделительный трансформатор представляет собой специальный трансформатор с коэффициентом трансформации, равном единице, напряжением не более 380 В, с повышенной надежностью конструкции и изоляции. От трансформатора разрешается питание не более одного приемника с током не более 15 А. В качестве разделительных трансформаторов могут быть использованы трансформаторы понижающие со вторичным напряжением не более 42 В, если они удовлетворяют требованиям к разделительному трансформатору.
Использование малого напряжения
Малое напряжение (не более 42 В между фазами и по отношению к земле) применяется для ручного инструмента, переносного и местного освещения в любых помещениях и вне их. Оно применяется также в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных для питания светильников местного стационарного освещения, если они расположены на высоте менее 2,5 м. Распространено в применении напряжение 36 В, а в замкнутых металлических емкостях должно применяться напряжение не более 12 В.
Выравнивание потенциалов
Как известно, напряжение прикосновения или шага получается тогда, когда есть разность потенциалов между основанием, на котором стоит человек, и корпусами оборудования, которых он может коснуться, или между ногами. Если соединить посредством дополнительных электродов и проводников места возможного касания телом человека, то не будет разности потенциалов и связанной с ней опасности.
Выравнивание потенциалов корпусов электрооборудования и связанных с ним конструкций и основания осуществляется устройством контурного заземлителя, электроды которого располагаются вокруг здания или сооружения с заземленным или зануленным оборудованием. Внутри контурного заземлителя под полом помещения или площадки прокладываются горизонтальные продольные и поперечные электроды, соединенные сваркой с электродами контура. При наличии зануления контур присоединяется к нулевому проводу.
Выравнивание потенциалов корпусов оборудования и конструкций осуществляется присоединением конструкций и всех корпусов к сети зануления или заземления.
Выравнивание потенциалов применяется как дополнительный технический способ защиты при наличии зануления или заземления в помещениях с повышенной опасностью или особо опасных.
Применение выравнивания потенциалов обязательно в животноводческих помещениях.
Устройство выравнивания потенциалов осуществляется по проекту.
Рис. 4.10. Величина напряжения шага в зависимости от расстояния между человеком и заземлителем
Рис. 4.11. Схема измерений сопротивления заземляющего устройства
Рис. 4.12. Схема зануления при наличии короткого замыкания фазы А на корпус и замыкании фазы С на землю
Рис. 4.7. Схема заземления в сети с изолированной нейтралью при наличии короткого замыкания
Рис. 4.8. Распределение потенциалов у поверхности земли в зоне растекания одиночного заземлителя
Рис. 4.9. Зависимость напряжения прикосновения от расстояния между человеком и заземлителем
Таблица 4.1 Пределы удельных сопротивлений грунта
Таблица 4.2 МИНИМАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ И НУЛЕВЫХ ПРОВОДНИКОВ
Таблица 4.3 ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМЕ ЗАНУЛЕНИЯ
Ф1. Напряжение шага при одиночном и групповом заземлителях
4.5. Организация эксплуатации электрооборудования
4.5. Организация эксплуатации электрооборудования
Персонал для работы в электроустановках готовится специально. К работе могут быть допущены лица, достигшие 18-летнего возраста, прошедшие медицинскую комиссию и имеющие удостоверение на право производства работ. В удостоверении указывается группа по технике безопасности, соответствующая тем работам, которые могут быть доверены данному лицу. Характеристики групп приведены в табл. 4. 4.
Для персонала, непосредственно работающего в электроустановках, производится повторная проверка знаний раз в год.
Для безопасности работ в электроустановках осуществляются организационные и технические мероприятия.
Организационными мероприятиями являются:
оформление работы нарядом или распоряжением;
допуск к работе, надзор во время работы, оформление перерывов в работе, переводов на другое рабочее место, окончания работы.
Работы в электроустановках до 1000 В могут производиться по распоряжению устному или письменному, а работы со снятием напряжения специально закрепленным персоналом могут производиться единолично, причем работы на высоте более 2, 5 м должны производиться в присутствии второго лица.
К техническим мероприятиям относятся:
производство необходимых отключении и принятие мер, препятствующих ошибочному или самопроизвольному включению;
вывешивание плакатов и при необходимости установка ограждений, присоединение к заземленным частям переносных заземлений, проверка отсутствия напряжения на токоведущих частях, к которым должно быть присоединено переносное заземление;
наложение заземлений.
Если работа выполняется без применения переносного заземления, то должны быть приняты дополнительные меры по предотвращению ошибочного включения, например, запирание приводов аппаратов, снятие рукояток рубильников и автоматов, снятие предохранителей, установка накладок между
ножами и контактными стойками рубильников. При невозможности осуществить эти меры должны быть отсоединены провода, по которым может быть ошибочно подано напряжение.
Проверка отсутствия напряжения должна быть произведена между каждой фазой и остальными фазами и заземленными частями установки с помощью указателя напряжения. Непосредственно перед проверкой отсутствия напряжения указатель должен быть проверен на ближайших токоведущих частях при наличии напряжения.
В наружных установках в сырую погоду допускается проверка отсутствия напряжения путем прослеживания разрыва токоведущих частей.
При ремонте аппаратуры, содержащей конденсаторы, в том числе и бытовой, нужно принять меры для разрядки этих конденсаторов.
4.6. Электробезопасность и надежность
4.6. Электробезопасность и надежность
Электробезопасность электрооборудования прямо связана с его надежностью, но нужно особо отметить некоторые факторы надежности.
Как известно, электрическая опасность связана с возможностью прикосновения к токоведущим частям или корпусам электрооборудования, находящимся под напряжением. Прикосновение к токоведущим частям возможно при открытых дверках шкафов, крышках щитков, коробок зажимов и т. д. Дверки бывают на шарнирах и закрываются, удерживаясь от открывания специальным запором. При ненадежности запора дверки трудно удержать в закрытом состоянии, что представляет опасность. Поэтому ненадежный запор нужно заменять или просто делать петли для замка.
Крышки обычно удерживаются винтами, которые иногда ввертываются не в резьбу в корпусе, а в гайки, которые могут прокручиваться при плохом закреплении, поэтому гайки лучше сначала приварить.
Винты, которые ввинчиваются, могут теряться даже при наличии стопора против их выпадения. Поэтому предпочтительнее крышки укреплять, одевая на шпильки и закрепляя гайками.
Дверки и крышки устройств, предназначенных для помещений сырых или пыльных, имеют прокладки, которые часто отваливаются, так как плохо приклеены, поэтому лучше их приклеивать заранее.
Нужно учитывать, что при проворачивающихся гайках вин-
Таблица 4. 4 КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ГРУППЫ ПЕРСОНАЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
тов, которые в них закручены, их нельзя открутить и открыть крышки, то же происходит и при коррозии винтового соединения. Часто выход может быть только в применении зубила. Для предотвращения этих явлений нужно смазывать вазелином резьбовые соединения, а также поверхности гаек, винтов и болтов.
Сопротивление в цепях зануления или заземления должно быть возможно меньше, но оно может увеличиваться при коррозии в зажимах присоединения заземляющих проводников к корпусам электрооборудования. Поэтому эти зажимы должны быть расположены в местах, удобных для их осмотра и переделки. Иногда винты присоединения заземления или зануления располагаются близко к задней стенке аппарата, что затрудняет доступ к ним, если аппараты укрепляются на стене или конструкции. При этом винты бывают малого диаметра и длины, закреплены в гайках, которые проворачиваются. Поэтому сразу до монтажа лучше приварить новый болт в качестве шпильки в нужном месте и нужного размера. Для защиты от коррозии резьбовые соединения в цепи заземлителей нужно покрывать вазелином.
Как показывает практика, поддержание надежности на уровне электробезопасности возможно только при грамотном обслуживании электрооборудования.
Таблица 4.4 КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ГРУППЫ ПЕРСОНАЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ (окончание)
Таблица 4.4 КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ГРУППЫ ПЕРСОНАЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
4.7. Случаи действия электрического тока на человека и животных
4.7. Случаи действия электрического тока на человека и животных
На практике при нормальном состоянии электрооборудования и при обычных обстоятельствах не бывает ударов током по отношению к человеку. Может ощущаться слабое действие напряжения при касании металлических частей оборудования, что называется «щипает током», в таких особо опасных помещениях, как животноводческие помещения и мастерские. Это действие зависит от величины напряжения на оборудовании и чувствительности человека, которая зависит от его одежды, обуви и состояния.
Величина напряжения на корпусах оборудования в системах с глухозаземленной нейтралью зависит от степени несимметрии нагрузки на данном объекте. Несимметрия создается неравным количеством лампочек в разных фазах или разной их мощностью в системах освещении, неравной мощностью ТЭН в разных фазах в нагревательных установках из-за выхода из строя некоторых ТЭН, влиянием бытовой нагрузки. Несимметрия ведет к появлению некоторого напряжения на нулевом проводе, несмотря на то, что он заземлен. Этого напряжения бы не было, если бы сопротивление заземления нулевого провода было равно нулю. Но этого добиться трудно, поэтому на нулевом проводе и связанных с ним корпусах оборудования всегда есть некоторое напряжение.
В аварийных случаях, например, в коровнике в момент пробоя ТЭН водонагревателя в воду или на корпус, при включении без проверки отсыревшего двигателя были удары током человека и животных.
В таких случаях при ненадежном состоянии зануления животные могут погибнуть.
Получают удары током и электрики. Это может быть в стрессовом состоянии, когда в поисках неисправности электрик часто отключает и включает напряжение и, забыв, что оно включено, может коснуться токоведущих частей. К тому же при этом выключатель может быть далеко, и выключает его другой человек, сообщая об этом по телефону или криком. В таком случае недопустима доверчивость, и прежде всего нужно выполнять технические мероприятия по безопасности.
На практике в таких случаях бывали смертельные исходы.
Наконец, можно попасть под напряжение, жестикулируя перед токоведущими частями и случайно коснувшись рукой этих частей.
4.8. Электрозащитные средства и предохранительные приспособления
4.8. Электрозащитные средства и предохранительные приспособления
Общие сведения
Согласно Правилам [30], защитными средствами называются приборы, аппараты, переносные и перевозимые приспособления и устройства, а также отдельные части устройств, приспособлений и аппаратов, служащие для защиты персонала, работающего на электроустановках, от поражения электрическим током.
Все защитные средства делятся на основные и дополнительные.
Основными защитными средствами называются такие, которые надежно выдерживают рабочее напряжение электроустановки и при помощи которых допускается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением.
Дополнительными защитными средствами являются такие, которые сами не могут обеспечить безопасность при касании токоведущих частей.
К основным защитным средствам, применяемым электроустановках до 1000 В, относятся:
а) диэлектрические перчатки;
б) инструмент с изолированными рукоятками;
в) указатели напряжения, изолирующие клещи. К дополнительным защитным средствам, применяемым в электроустановках до 1000 В, относятся:
а) диэлектрические галоши;
б) диэлектрические резиновые коврики;
в) изолирующие подставки.
Основные защитные средства
Резиновые перчатки выпускаются со швом и бесшовные. Основные технические данные перчаток приведены в табл. 4. 5.
Таблица 4. 5 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЧАТКИ
Наиболее употребительные инструменты с изолированными рукоятками представлены в табл. 4. 6. При этом отверток должно быть несколько в соответствии с размерами отвертываемых винтов.
Выпускаются также комплекты слесарно-монтажных инструментов с изолирующими рукоятками, которые могут содержать ключи гаечные, молоток, зубило.
Изолирующие клещи предназначены для замены предохранителей ПР-1, ПР-2, НПН на токи 15... 60 А. Примером являются клещи К-1000 со следующими техническими данными: общая длина — 210 мм, длина рукоятки — 110 мм, диаметр предохранителей — 13... 29 мм, масса — 0, 1 кг.
Для предохранителей типа ПН2 изготовляется специальная скоба в виде рукоятки с прорезями, в которые входят выступы предохранителя, и таким образом он может сниматься или ставиться.
Таблица 4.6 ИНСТРУМЕНТ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ РУКОЯТКАМИ
Изолирующие клещи и рукоятки входят в комплект устройств, содержащих предохранители.
Данные об указателях напряжения приведены в табл. 4. 7.
Однополюсный указатель напряжения выполнен в виде отвертки, на рабочем конце которой находится штырь или отвертка, а на другом конце — металлический контакт для касания пальцем. Недостатком однополюсных указателей напряжения является то, что они могут показать напряжение в проводе, когда его там нет, из-за наводки от соседних проводов.
Часто в электроустановках появляются признаки несимметрии трехфазного напряжения — отсутствия или уменьшения напряжения в одной из фаз. Такими признаками являются неустойчивая работа электродвигателей или их остановка, разная яркость свечения групп ламп, присоединенных к разным фазам. В таком случае найти неисправность с помощью однополюсного индикатора трудно, так как он показывает напряжение во всех трех фазах, лучше измерить разность напряжений между фазами или фазой и корпусом оборудования с помощью двухполюсного указателя — рис. 4. 13.
Двухполюсный указатель напряжения состоит из двух корпусов, соединенных проводом с повышенной изоляцией. Недостатком некоторых двухполюсных указателей является малая прочность корпусов и мест заделки провода.
Таблица 4.7 УКАЗАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Рис. 4. 13. Схема применения двухполюсного индикатора напряжения для определения наличия напряжения:
а) фазного; б) линейного.
Переносные заземления
Переносные заземления предназначены для защиты людей, работающих на отключенных токоведущих, частых, от поражения электрическим током от ошибочно поданного или наведенного напряжения. Заземления соединяют отключенные части электроустановки с землей на время работы на них людей.
Данные переносных заземлений представлены в табл. 4. 8.
Таблица 4.8 ПЕРЕНОСНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
* РУ — распределительное устройство. ** ВЛ — воздушная линия.
Предохранительные приспособления
Предохранительные пояса. Пояса предназначены для удержания работающего на высоте путем прикрепления его тела к опоре или другой конструкции с помощью стропа. Пояс состоит из широкого кушака, более узкого ремня с пряжкой и отверстиями для закрепления пояса на теле, стропа, карабина для быстрого закрепления стропа.
Применяются пояса различных видов. В табл. 4. 9 приведены данные предохранительного монтерского пояса. Он изготовляется нескольких типов:
I — с одним стропом;
II — с двумя стропами;
III — с одним стропом и двумя карабинами;
IV — с одним стропом и удлинителем с тремя ушками.
Таблица 4. 9 ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ МОНТЕРСКИЕ ПОЯСА ДЛЯ ВЛ
Пояса выполняются шести номеров с карабинами трех видов: малым, средним и большим.
Кушак изготовляется из двухслойного полукапронового ремня, ремень для застегивания — из двух слоев кожи и слоя капроновой ленты.
Строп изготовляется из капроновой ленты или из цепи.
Монтерские когти предназначены для залезания и работы на деревянных опорах воздушных линий электропередачи с железобетонными приставками, а лазы — для залезания и работы на линиях с железобетонными опорами.
Когти состоят из серповидных силовых элементов с шипами и грузовых площадок с ремнями крепления к ногам.
Лазы состоят из Г-образных силовых элементов с шипами и грузовых площадок с ремнями.
Данные монтерских когтей и лазов приведены в табл. 4. 10.
Таблица 4.10 МОНТЕРСКИЕ КОГТИ И ЛАЗЫ
Рис. 4.13. Схема применения двухполюсного индикатора напряжения для определения наличия напряжения:
Таблица 4.10 МОНТЕРСКИЕ КОГТИ И ЛАЗЫ
Таблица 4.5 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЧАТКИ
Таблица 4.6 ИНСТРУМЕНТ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ РУКОЯТКАМИ
Таблица 4.7 УКАЗАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Таблица 4.8 ПЕРЕНОСНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Таблица 4.9 ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ МОНТЕРСКИЕ ПОЯСА ДЛЯ ВЛ
5. Электроизмерительные приборы
5. Электроизмерительные приборы
Измерительные приборы применяются тогда, когда нужно знать точное значение напряжения, тока или сопротивления, в основном при наладке и поисках неисправностей. Удобны для этих целей комбинированные приборы, которые являются малогабаритными и легкими и позволяют измерять величины напряжения, тока или сопротивления постоянному току (последнего с помощью встроенного элемента питания). Данные о нескольких таких приборах приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1 ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Для примера рассмотрим комбинированный прибор Ц4352 применительно к его использованию в практической работе электрика. Рабочие климатические условия применения прибора: температура окружающего воздуха от +10 до +35 С, относительная влажность воздуха до 80% при температуре +25 °С. Внутри корпуса прибора находятся элементы его электрической схемы. Слева на лицевой стороне корпуса находятся шкалы:
сла, на котором стоит указатель переключателя диапазонов, на полное число делений шкалы. В данном случае цена деления шкалы
300 В: 30= 10 В,
где 300 В — положение указателя переключателя диапазонов, 30 — полное число делений шкалы отсчета измеряемой величины.
Показание прибора
22 х 10 В = 220 В.
На рис. 5.1 показаны схемы присоединения приборов при измерении напряжения и тока.
Рис. 5.1. Схемы присоединения приборов для измерения напряжения и тока. Измерение напряжения:
а) между линейными проводами — линейного; б) между проводами линейным и нулевым — фазного.
Измерение силы тока в проводе, подходящем к двигателю — . силы линейного тока двигателя:
в) непосредственным присоединением амперметра; г) присоединением амперметра с помощью трансформатора тока.
Если величина тока, измеряемого в цепи, больше предела измерения амперметра, то для измерения тока применяется трансформатор тока (рис. 5.1, г). В этом случае измеряемый ток
Iизм=Iп*ктт
где Iизм — измеряемый ток, А, Iп — ток, показанный амперметром, A, kтт — коэффициент трансформации трансформатора тока.
Согласно ПУЭ [31], вторичная обмотка трансформатора тока должна быть заземлена, а при рассоединении ее внешней цепи выводы обмотки должны быть замкнуты между собой, так как напряжение на выводах обмотки может быть опасно для человека.
Данные некоторых приборов для измерения сопротивления показаны в табл. 5.2.
Таблица 5.2 ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Мегаомметр состоит из генератора постоянного тока с ручным приводом и измерительного прибора, заключенных в один корпус. Он применяется для измерения сопротивления постоянному току изоляции электрооборудования, проводов и кабелей.
Омметр работает на основе встроенного элемента питания и служит для измерения сравнительно небольших сопротивлений в омах. Он может применяться для проверки целости электрических цепей.
Для проверки цепей также может применяться щуп или пробник, состоящий из корпуса, в который помещается батарейка и лампочка. Для касания точек цепей прибор имеет штырь и провод.
Все измерения сопротивления производятся при снятом напряжении. Щуп также применяется при снятом напряжении.
Присоединив проводок щупа к нужной точке цепи и касаясь штырем других ее точек, можно проверить целость участков цепи.
Следует не забывать, что измерения сопротивлений в электроустановке нужно производить, сделав необходимые отключения напряжения, проверив его отсутствие перед присоединением прибора.
Схема измерения мегаомметром сопротивления изоляции электродвигателя показана на рис. 5.2, а. В данном случае применен мегаомметр М4100/3. На корпусе мегаомметра изображена схема присоединения проводов при измерении в мегаомах и килоомах. В случае измерения в килоомах между двумя левыми зажимами ставится перемычка, входящая в комплект проводов, один провод присоединяется к этой перемычке, а другой — к правому зажиму, и другие концы проводов присоединяются к измеряемому объекту.
Рис. 5.2. Схема применения мегаомметра М4100/3:
а)измерение сопротивления изоляции двигателя относительно его корпуса 6) определение концов жилы кабеля.
При измерении в мегаомах провода присоединяются к двум левым зажимам.
В данном случае измерение производится в килоомах, электродвигатель отсоединен от сети. Его можно и не отсоединять, а только отключить выключатель. Обычно бывает удобней измерять сопротивление изоляции двигателя со стороны включающего устройства через кабель питания двигателя. Но в этом случае прибор учтет и сопротивление изоляции кабеля, а измеренное сопротивление изоляции будет меньше, чем сопротивление изоляции двигателя. Если оно не ниже допустимого, (500 кОм), то кабель можно не отсоединять, а если ниже, то электродвигатель нужно проверить отдельно.
С помощью мегаомметра можно проверить цельность каждой фазной обмотки двигателя и места их соединения, измерив сопротивление между началами фаз, если обмотки двигателя соединены в звезду. При соединении их треугольником концы и начала обмоток для этой проверки нужно рассоединять.
Так как на выходе мегаомметра при измерении высокое напряжение, то в это время нельзя прикасаться к неизолированным частям объекта измерения и проводов прибора.
Измеряемая сеть может зарядиться от мегаомметра во время измерения, поэтому после измерения ее нужно разряжать соединением проводником с зануленными (заземленными) частями электроустановки, соблюдая предосторожности.
На рис. 5. 2, б показано определение концов жилы кабеля, в случае отсутствия расцветки, с помощью мегаомметра. Дальний конец жилы кабеля и один зажим прибора присоединяются к заземленным частям конструкций, а с помощью провода от другого зажима прибора производится поиск второго конца жилы кабеля.
Следует отметить еще некоторые особенности при работе с мегаомметром.
Мегаомметр вырабатывает высокое напряжение, и если в установке, где производится измерение, есть элементы, которые могут быть повреждены этим напряжением, например, конденсаторы, полупроводниковые приборы, то они должны быть отсоединены или закорочены проводом.
Не допускается пользование прибором загрязненным и покрытым влагой, так как это может исказить показания.
Перед измерением прибор должен быть проверен соединением концов его проводов при вращении рукоятки, при этом стрелка прибора должна показать «нуль», а при рассоединении проводов — «бесконечность».
Чтобы прибор дал нужное напряжение, его рукоятку нужно вращать с частотой не меньшей, чем указана на щитке со шкалой.
При измерении в разветвленной сети прибор может сначала показать малое сопротивление изоляции, пока сеть не зарядится от напряжения, вырабатываемого им, так как изоляция сети имеет емкость.
Р. 1 Шкалы размещенные на лицевой стороне корпуса
Р. 2 Подготовка прибора к работе и порядок работы
Р. 3 Установка сопротивлений прибора
Рис. 5.1. Схемы присоединения приборов для измерения напряжения и тока. Измерение напряжения:
Рис. 5.2. Схема применения мегаомметра М4100/3:
Таблица 5.1 ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Таблица 5.2 ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
6. Инструмент электрика
6. Инструмент электрика
Кроме инструмента с изолированными рукоятками, который относится к защитным средствам и должен быть с электриком всегда, электрику необходимо иметь другой инструмент, предназначенный для разных видов работ. Некоторые инструменты, которые могут потребоваться электрику при различных работах, приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1 ИНСТРУМЕНТ ЭЛЕКТРИКА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ РАБОТ
Инструменты для снятия изоляции с проводов и жил кабелей, для опрессования наконечников на концах проводов и жил кабелей представлены в табл. 6.2.
Таблица 6.2 ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОНЦОВ ПРОВОДОВ
Обработка труб требуется при ремонте и монтаже трубной проводки. Технические данные труборезов и трубогибов представлены в табл. 6.3.
Таблица 6.3 ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТРУБ
Поршневой монтажный пистолет ПЦ-84 предназначен для крепления к стенам различных конструкций и аппаратов. С его
помощью в различные кирпичные, бетонные и металлические основания забивают специальные крепежные гвозди — дюбели. В пистолете во время его работы пороховые газы из патрона, расширяясь, действуют на поршень, который разгоняется и ударяет в дюбель, находящийся в направителе, и дюбель забивается в основание. Число выстрелов пистолета в час 50, габаритные размеры — 385х65х132 мм, масса 3,6 кг. Пистолет исключает рикошет дюбеля и сквозной прострел основания, имеет низкий уровень звука выстрела. Он имеет блокировки, исключающие выстрел в воздух, выстрел при запертом пистолете, при деформации амортизаторов, при падении пистолета с высоты до 1,5 м. В пистолете используются специальные беспульные патроны с бездымным порохом.
Ручные сверлильные машины используются для сверления отверстий в металле, бетоне, кирпиче и камне, дереве и других материалах. Характеристики сверлильных машин приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ РУЧНЫХ СВЕРЛИЛЬНЫХ МАШИН
Электроперфораторы применяются для вырубки борозд и пробивки отверстий в кирпиче и бетоне, забивки дюбелей, сверления отверстий, завертывания винтов и шурупов и могут работать в режимах: ударном, ударно-вращательном, вращательном — табл. 6.5.
Таблица 6.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУЧНЫХ ЭЛЕКТРОПЕРФОРАТОРОВ
Таблица 6.1 ИНСТРУМЕНТ ЭЛЕКТРИКА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ РАБОТ
Таблица 6.2 ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОНЦОВ ПРОВОДОВ
Таблица 6.3 ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТРУБ
Таблица 6.4 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ РУЧНЫХ СВЕРЛИЛЬНЫХ МАШИН
Таблица 6.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУЧНЫХ ЭЛЕКТРОПЕРФОРАТОРОВ
7. Правила пользования защитными средствами, измерительными приборами и инcтрументами
7. Правила пользования защитными средствами, измерительными приборами и инcтрументами
Защитные средства при хранении, перевозке и переноске должны быть защищены от механических повреждений, увлажнения и загрязнения. Защитные средства из резины должны храниться в специальных закрытых местах, например, шкафах, отдельно от инструментов. Они должны быть защищены от разрушительного воздействия масел, бензина и других веществ, от солнечных лучей и нагревательных приборов, температура в месте хранения должна быть в пределах 0..+2 °С.
Указатели напряжения и измерительные приборы должны храниться в футлярах.
Все защитные средства при приемке в эксплуатацию должны быть испытаны независимо от заводского испытания, должны подвергаться периодическим контрольным осмотрам, электрическим и механическим испытаниям в сроки и по нормам, предусмотренным Правилами [30].
На защитные средства, прошедшие испытания, кроме инструмента с изолированными рукоятками, должен ставиться штамп, где указывается напряжение, в пределах которого данное средство годно, срок годности до следующего испытания, название лаборатории.
На защитных средствах, которые признаны негодными, штамп перечеркивается крест накрест красной краской.
Все защитные средства рассчитаны на использование их в закрытом помещении или в наружных установках в сухую погоду, поэтому использование их в сырую погоду запрещается.
Перед каждым пользованием защитным средством необходимо проверить его исправность, обтереть от пыли, резиновые перчатки должны быть проверены на отсутствие прокола.
Пользование защитными средствами, срок испытания которых истек, запрещается.
Измерения переносными приборами должны производиться двумя лицами, причем одно из них должно иметь квалификационную группу не ниже 4, другое — не ниже 3.
Измерения на опорах ВЛ до 1000 В может производить одно лицо при наличии другого лица внизу, стоя на когтях
(лазах) и привязавшись к опоре стропом пояса. Производить измерения на ВЛ, стоя на лестнице, запрещается.
Проведение измерений на ВЛ с опор, имеющих заземляющие спуски, запрещается.
Электроинструмент должен быстро включаться и отключаться от сети, быть безопасным в работе.
Напряжение электроинструмента должно быть:
не выше 220 В а помещениях без повышенной опасности;
не выше 36 В в помещениях с повышенной опасностью и вне помещений.
При этом допускается применение электроинструмента до 220 В при наличии устройства защитного отключения или заземления корпуса инструмента с обязательным использованием защитных средств (диэлектрических перчаток, галош, ковриков).
В особо опасных помещениях и в стесненных условиях (котлах, баках) разрешается применение электроинструмента на напряжение не выше 36 В с обязательным применением
защитных средств.
Корпус электроинструмента на напряжение выше 36 В должен иметь специальный зажим для присоединения заземляющего провода с отличительным знаком «Земля».
Электроинструмент с двойной изоляцией заземления не требует.
8. Правила пользования защитными средствами, измерительными приборами и инcтрументами
7. Правила пользования защитными средствами, измерительными приборами и инcтрументами
Защитные средства при хранении, перевозке и переноске должны быть защищены от механических повреждений, увлажнения и загрязнения. Защитные средства из резины должны храниться в специальных закрытых местах, например, шкафах, отдельно от инструментов. Они должны быть защищены от разрушительного воздействия масел, бензина и других веществ, от солнечных лучей и нагревательных приборов, температура в месте хранения должна быть в пределах 0..+2 °С.
Указатели напряжения и измерительные приборы должны храниться в футлярах.
Все защитные средства при приемке в эксплуатацию должны быть испытаны независимо от заводского испытания, должны подвергаться периодическим контрольным осмотрам, электрическим и механическим испытаниям в сроки и по нормам, предусмотренным Правилами [30].
На защитные средства, прошедшие испытания, кроме инструмента с изолированными рукоятками, должен ставиться штамп, где указывается напряжение, в пределах которого данное средство годно, срок годности до следующего испытания, название лаборатории.
На защитных средствах, которые признаны негодными, штамп перечеркивается крест накрест красной краской.
Все защитные средства рассчитаны на использование их в закрытом помещении или в наружных установках в сухую погоду, поэтому использование их в сырую погоду запрещается.
Перед каждым пользованием защитным средством необходимо проверить его исправность, обтереть от пыли, резиновые перчатки должны быть проверены на отсутствие прокола.
Пользование защитными средствами, срок испытания которых истек, запрещается.
Измерения переносными приборами должны производиться двумя лицами, причем одно из них должно иметь квалификационную группу не ниже 4, другое — не ниже 3.
Измерения на опорах ВЛ до 1000 В может производить одно лицо при наличии другого лица внизу, стоя на когтях
(лазах) и привязавшись к опоре стропом пояса. Производить измерения на ВЛ, стоя на лестнице, запрещается.
Проведение измерений на ВЛ с опор, имеющих заземляющие спуски, запрещается.
Электроинструмент должен быстро включаться и отключаться от сети, быть безопасным в работе.
Напряжение электроинструмента должно быть:
не выше 220 В а помещениях без повышенной опасности;
не выше 36 В в помещениях с повышенной опасностью и вне помещений.
При этом допускается применение электроинструмента до 220 В при наличии устройства защитного отключения или заземления корпуса инструмента с обязательным использованием защитных средств (диэлектрических перчаток, галош, ковриков).
В особо опасных помещениях и в стесненных условиях (котлах, баках) разрешается применение электроинструмента на напряжение не выше 36 В с обязательным применением
защитных средств.
Корпус электроинструмента на напряжение выше 36 В должен иметь специальный зажим для присоединения заземляющего провода с отличительным знаком «Земля».
Электроинструмент с двойной изоляцией заземления не требует.
8. Электротехнические материалы, применяемые при ремонте электрооборудования
8. Электротехнические материалы, применяемые при ремонте электрооборудования
При обслуживании и ремонте электрооборудования применяются различные материалы. Материалом, который должен быть у электрика всегда, является изоляционная лента.
Познакомимся с некоторыми изоляционными лентами.
Лента изоляционная поливинилхлоридная липкая марки ПВХ, изготовляется на основе светотермостойкого изоляционного пластиката, на одну сторону которого нанесен липкий состав. Выпускается лента в основном светло-синего цвета, но может выпускаться и других цветов.
До появления лент марки ЛЭТСАР она являлась основной изоляционной лентой.
ЛЭТСАР — лента электроизоляционная термостойкая самослипающаяся резиновая. Выпускается двух марок и двух сечений, марки различаются цветом и термостойкостью, марка К — красного цвета, марка Б — белого цвета. Между слоями ленты в ролике проложена полиэтиленовая лента марки Нт для предотвращения самослипания слоев ленты ЛЭТСАР. Лента имеет хорошую электрическую прочность, тепло-, влаго-, и водостойка, стойка к действию озона и ультрафиолетовых лучей, масел и химических реактивов. Лента способна слипаться в монолит без предварительного подогрева.
Лента электроизоляционная прорезиненная липкая представляет собой хлопчатобумажную ткань, на поверхность которой нанесена липкая резиновая смесь.
Лента марки ЛХМ-105 электроизоляционная лакотканевая — лакоткань хлопчатобумажная, пропитанная масляным лаком, для длительной работы при температуре 105С.
Лента хлопчатобумажная для электропромышленности изготовляется из хлопчатобумажной пряжи или полиэфирных нитей. Для электромонтажных работ применяется в основном киперная лента из хлопчатобумажной пряжи с обозначением К.
Сведения о некоторых лентах приведены в табл. 8. 1.
Полихлорвиниловые трубки могут заменять изоляционную ленту для защиты отдельных проводов или жгутов проводов при их вводе в корпуса аппаратов, двигателей, в металлические трубы.
Таблица 8. 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ЛЕНТ
Размеры некоторых трубок приведены в табл. 8. 2.
Таблица 8.2 РАЗМЕРЫ ПОЛИХЛОРВИНИЛОВЫХ ТРУБОК
Клеи могут потребоваться при ремонте разбитых пластмассовых корпусов аппаратов и приборов, для приклеивания выпавших стекол в измерительных приборах и в других случаях.
Сведения о клеях приведены в табл. 8. 3.
В табл. 8. 4 и 8. 5 представлены сведения о припоях и флюсах для пайки.
Для подшипников электродвигателей необходим запас тугоплавкой смазки, например 1-13 (универсальная тугоплавкая водостойкая УТВ), ЦИАТИМ-203.
Таблица 8. 3 НАЗНАЧЕНИЕ КЛЕЕВ
Примечание: знак «+» означает, что клей склеивает данный материал.
Таблица 8. 4 ЛЕГКОПЛАВКИЕ ПРИПОИ
Таблица 8. 5 НЕАКТИВНЫЕ ФЛЮСЫ
Таблица 8.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ЛЕНТ
Таблица 8.2 РАЗМЕРЫ ПОЛИХЛОРВИНИЛОВЫХ ТРУБОК
Таблица 8.3 НАЗНАЧЕНИЕ КЛЕЕВ
Таблица 8.4 ЛЕГКОПЛАВКИЕ ПРИПОИ
Таблица 8.5 НЕАКТИВНЫЕ ФЛЮСЫ
9. Пожарная безопасность
9. Пожарная безопасность
Классы пожароопасных зон и степени защиты применяемого в них электрооборудования приведены в гл. 1.
Загорания в пожароопасных зонах возможны при нарушении приведенных там рекомендаций, а также в процессе эксплуатации при различных нарушениях правил и небрежности.
При эксплуатации оборудования его надежность может ухудшаться, что приводит к снижению пожарной безопасности. Ухудшение надежности электрооборудования возможно из-за механических воздействий на него и увеличения нагрева токоведущих частей и корпусов.
Кроме механических нарушений корпусов электрооборудования, возможно нарушение его степени защиты из-за действий персонала по неграмотности и небрежности. Например, оставленный без крышки аппарат или электродвигатель без крышки на коробке зажимов не являются пожаробезопасными, если они были такими до этого.
Первоначальной причиной нагрева токоведущих частей или корпусов электрооборудования является большой ток или повышение сопротивления в цепях. Большой ток может быть вызван коротким замыканием в цепях за данным аппаратом или увеличением тока нагрузки. Неотключенный ток короткого замыкания может вызвать перегорание токоведущих частей внутри аппарата, замыкание между фазами и на корпус аппарата, что может вызвать большой нагрев корпуса аппарата или его выгорание с опасностью пожара. Ток нагрузки для данного аппарата может быть большим тогда, когда он выбран неправильно для данного тока.
Ток короткого замыкания, проходящий через заземляющие проводники, может вызвать искрение в ненадежных зажимах или перегорание проводников, что также является пожарной опасностью.
Источником нагрева могут быть слабые зажимы в токоведущих частях или заземляющих проводниках. Детали слабого зажима нагреваются и окисляются, что еще больше увеличивает сопротивление и нагрев.
Если не принять мер, то зажим может перегореть, что может вызвать замыкание между фазами и на корпус аппарата и может привести к выгоранию корпуса.
Нагрев присоединительных зажимов аппарата может быть из-за того, что применены провода меньшего сечения, чем нужно, которые, нагреваясь, нагревают сам зажим. Причина может быть также в неправильно или небрежно выполненном зажиме. О правильном выполнении зажимов сказано в п. 2. 9. 9. Нагрев концов проводов может быть также в месте контакта провода с наконечником и при нормальной величине тока. В таком случае опрессовка наконечника не помогает, и наконечник нужно отрезать от провода и ставить другой, а если его нет, то временно провод можно присоединять без наконечника, согнув кольцом, что будет надежнее, чем с нагревающимся наконечником.
Увеличение сопротивления в зажимах заземляющих проводников ведет не только к повышению напряжения прикосновения, но и к пожарной опасности из-за нагрева зажима и его искрения.
Следует учитывать возможность перегрева аппаратов и от нагрева рабочих контактов и мест их крепления из-за повышения сопротивления в месте касания контактов. Это сопротивление может быть повышено при неплотном касании контактов и, как следствие, от их окисления (п. 2. 9. 9).
От нагрева может быть перегорание и замыкание не только токоведущих частей, но частичное или полное сгорание пластмассовых деталей и корпусов аппаратов, что может привести к пожару.
Обеспечить надежность электрооборудования и связанную с ней пожарную безопасность можно только при грамотном обслуживании электрооборудования.
Как правило, после пожара его причиной считается электрооборудование и электропроводка. Исходя из вышеизложенного, вероятность такой причины есть, но после пожара бывает трудно найти доказательства. Их приходится искать инспектору пожарного надзора в присутствии лица, ответственного за электрохозяйство, и персонала, обслуживающего данную электроустановку.
Есть и бесспорные случаи загорания в электроустановках и проводке помещений.
Загораются провода в пульте управления теплогенератора, если этот пульт близко расположен к топке. Причиной является перегрев проводов, особенно при наличии утечек топлива. Загоранию может способствовать и розжиг с помощью факела, когда не работает автоматических розжиг топки.
Может быть загорание у электрокалорифера, если случайно перекрыт доступ воздуха к ТЭНам или при отказе вентилятора, прогоняющего этот воздух через калорифер, когда ТЭНы не отключились, например, при сваривании контактов пускателя.
Бывают загорания в сельских деревянных домах. Причина в том, что проводка бывает сделана малограмотными людьми и при отсутствии нужных материалов. При этом могут быть скрутки проводов в отверстиях стен, за щитком счетчика и в других скрытых местах, и эти скрутки со временем загораются. Проводка вообще может быть закрыта плитами утеплителя, которые прижимаются вплотную к щитку счетчика, розеткам, что затрудняет теплоотвод и увеличивает вероятность
загорания.
В любых квартирах может быть загорание от перегревающихся розеток, электронагревательных приборов, расположенных у сгораемых предметов, от загорания оставленных без присмотра телевизоров и т. д.
10. Учет и экономия электроэнегии
10. Учет и экономия электроэнегии
Общие сведения
Учет электроэнергии имеет несколько назначений:
1) расчет за электроэнергию с энергоснабжающей организацией;
2) контроль расхода активной энергии в отдельных цехах и на объектах;
3) определение количества реактивной мощности, полученной потребителем от энергоснабжающей организации, когда по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсационных устройств предприятия (имеются в виду устройства, улучшающие коэффициент мощности);
4) составление электробалансов по предприятиям и по наиболее энергоемким установкам и цехам для анализа использования электроэнергии;
5) расчет с потребителями, получающими электроэнергию от подстанций предприятия.
Расчетный учет осуществляется расчетными счетчиками и применяется для денежных расчетов за электроэнергию.
Технический учет — учет электроэнергии по цехам и отдельным установкам для составления энергобаланса, расчета удельного расхода электроэнергии на производимую продукцию.
Оплата электроэнергии может производиться по одноставочному и двуставочному тарифу.
По одноставочному тарифу оплачивается электроэнергия, расходуемая промышленными и приравненными к ним предприятиями с присоединенной мощностью до 750 кВА, по двуставочному тарифу — потребителями с присоединенной мощностью 750 кВА и более.
Одгюставочный тариф состоит из платы за 1 кВт • ч отпущенной активной энергии, учтенной счетчиками, двуставочный — из годовой платы за 1 кВт • ч заявленной потребителем максимальной мощности, участвующей в максимальной нагрузке энергосистемы, и платы за 1 кВт • ч отпущенной потребителю активной энергии, учтенной счетчиками.
Надбавка или скидка к тарифу на электроэнергию для потребителей с присоединенной мощностью 750 кВА и выше состоит из двух составляющих:
1) надбавка за повышение потребителем реактивной мощности по сравнению с заданной энергоснабжающей организацией в часы максимума активной нагрузки энергосистемы;
2) скидка или надбавка за отклонение режима работы компенсирующих устройств от заданного, оцениваемое отклонением фактически потребляемой реактивной мощности от заданного энергоснабжающей организацией оптимального значения в часы минимума активной нагрузки энергосистемы.
Счетчики
Для учета энергии служат счетчики активной энергии и для учета реактивной мощности — счетчики реактивной мощности.
Счетчики могут предназначаться для двухпроводных однофазных сетей, трехпроводных трехфазных сетей без нулевого провода и четырехпроводных трехфазных сетей с нулевым проводом.
Данные некоторых счетчиков приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ СЧЕТЧИКОВ
Счетчики для однофазных сетей, или однофазные счетчики применяются в основном на вводах в индивидуальные дома или в квартиры в многоквартирных домах. Схема счетчика показана на рис. 10.1.
Рис. 10.1. Схема включения однофазного счетчика.
Измерительная система счетчика содержит токовую обмотку, показанную толстой линией, и обмотку напряжения, показанную тонкой линией. По токовой обмотке проходит потребляемый ток, а обмотка напряжения подключается на напряжение между проводами сети. На счетчике имеются зажимы для присоединения проводов, идущих от сети питания, и проводов в сеть потребителя. Обычно фазный провод присоединяется к зажиму 1 тогда нулевой должен присоединяться только к зажиму 3 (или 4), а не 2, потому что в последнем случае токовая обмотка окажется под напряжением, на которое она не рассчитана, и выйдет из строя. Тогда получается назначение зажимов: вход — 1 и 3, выход — 2 и 4. На счетчике под стеклом на панели имеется прорезь для цифр счетного механизма и надписи о данных счетчика, например, счетчик однофазный СО-И446, 220 В, 5...17 А, год изготовления, заводской номер.
Трехфазные счетчики применяются в электроустановках, где используется трехфазный ток, а также на вводе установок, где используется однофазный ток, но подводятся три фазы, например, в жилых домах и учреждениях. Обычно трехфазные счетчики не могут пропустить ток, потребляемый установкой, поэтому они применяются с трансформаторами тока. На рис. 10.2 показана схема счетчика, предназначенного для включения с трансформаторами тока в четырехпроводную сеть. Как видно из схемы, токовые обмотки счетчика присоединяются ко вторичным обмоткам трансформатора тока через зажимы 1 и 3, 4 и 6, 7 и 9. Зажимы 1, 4, 7 присоединяются к фазам и к первым концам обмоток напряжения, вторые концы которых соединены вместе и присоединяются к нулевому про воду.
Рис. 10.2. Схема включения трехфазного счетчика.
Могут быть трехфазные счетчики для непосредственного включения, а также счетчики для включения с трансформаторами напряжения. Счетчики непосредственного включения изготовляются на ток 5, 10, 20, 30, 50 А, а счетчики с трансформаторами тока, у которых первичный ток может быть различной величины в пределах от 10 до 10 000 А, вторичный ток — 5 А, изготовляются на ток 5 А.
Определение расхода электроэнергии за данный промежуток времени производится при счетчиках без трансформаторов тока вычитанием начального показания счетчика из конечного показания за данный промежуток времени;
при счетчиках с трансформаторами тока — умножением этой разницы на коэффициент трансформации трансформатора тока, что можно представить формулами:
Э = Пк - Пн и
Э = (Пк - Пн) • Кт,
где Э — расход энергии, кВт • ч, Пк, Пн — конечное и начальное показание счетчика, Кт — коэффициент трансформации трансформатора тока.
Однофазные счетчики для квартир устанавливаются на специальных квартирных щитках, содержащих устройства защиты — предохранители или автоматические выключатели. Они выполняют роль защиты счетчиков и отходящих цепей и роль отключающих устройств для счетчиков на случай их ремонта или замены, как требует ПУЭ. Следует учитывать, что на практике устройства защиты бывают установлены за счетчиками, если смотреть по ходу энергии, чтобы ограничить доступ к
счетчикам.
В многоквартирных домах счетчики могут устанавливаться в общих запираемых этажных щитах на лестничных площадках.
Условия надежной работы счетчиков
Устройства, содержащие счетчики, должны устанавливаться в сухих помещениях, не содержащих агрессивных примесей в воздухе, с температурой в зимнее время не ниже 0 С. Счетчики не разрешается устанавливать в помещения, где температура часто может быть выше +40 С. В зимнее время разрешается подогрев счетчиков электрическими нагревателями, но так, чтобы температура у счетчиков была не выше +20 С.
Осмотр и ремонт счетчиков допускается производить лицам и организациям, уполномоченным на это. Некоторые отказы счетчиков приведены в табл. 10.2.
Таблица 10.2 ОТКАЗЫ СЧЕТЧИКОВ
Основные направления экономии электроэнергии
Электроэнергия используется во всех областях жизнедеятельности человека, и ее экономия возможна во всех этих областях.
Простейшие мероприятия по экономии электроэнергии
должны подсказываться сознанием человека там, где он находится, например, выключить освещение или другие приемники энергии, где их работа в данное время не нужна.
Возможна экономия не прямым воздействием на приемники энергии, а косвенными мерами. Большое значение для экономии топлива и электроэнергии имеет утепление жилищ и мест работы человека, так как при этом экономится расход тепла, а значит, и топлива, которое используется для выработки большей части электроэнергии, и экономится электроэнергия непосредственно, так как при понижении температуры стараются применить разные электронагреватели. Как известно, для поддержания нормальной температуры в помещении не обязательно его отапливать, а достаточно ограничить теплоотвод так, чтобы сохранялось тепло, выделяемое различными электрическими приборами, например, лампочками, холодильниками, телевизорами и т. д. и телом человека. Утепление помещений должно начинаться при строительстве путем уплотнения стыков панелей и установки теплоизолирующих прокладок в стенах, уплотнения окон и дверей, и продолжаться людьми, живущими в помещениях. Результаты в этом деле получаются всегда ощутимые, например, в мире имеются дома, не требующие специального отопления в условиях Севера.
Большое количество электроэнергии используется для освещения производственных помещений и улиц. В данном случае экономии энергии способствует побелка или покраска в светлые тона помещений и наружных стен домов. Светлые поверхности, отражая свет, выполняет роль светильников, и того же эффекта освещения можно достичь при меньшей мощности светильников.
Часто можно видеть, как уличное освещение включено днем, закипевшая вода в электронагревателе продолжает кипеть, когда это не нужно. В таких случаях нужно применять простейшие схемы автоматизации, которые будут способствовать экономии энергии и увеличению срока службы ламп, нагревательных элементов и других приборов.
Экономии энергии служит технологическая революция, потому что ее задачей является уменьшение материалоемкости и энергоемкости продукции при ее производстве, хранении, транспортировке и использовании на основе научно-технического прогресса. Основным направлением научно-технического прогресса является применение ЭВМ при проектировании, производстве продукции, контроле качества, хранении и сбыте.
Рис. 10.1. Схема включения однофазного счетчика.
Рис. 10.2. Схема включения трехфазного счетчика.
Таблица 10.1 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ СЧЕТЧИКОВ
Таблица 10.2 ОТКАЗЫ СЧЕТЧИКОВ
11. Обслуживание электрооборудования
11. Обслуживание электрооборудования
Общие сведения
После наладки и пуска в работу начинается период эксплуатации электрооборудования. В этот период на каждое изделие начинаются воздействия, связанные с его работой в системе элементов и устройств, с которыми оно взаимодействует. Степень воздействий зависит от качества напряжения питания, от качества других элементов, с которыми данное изделие связано электрически или механически. Например, электродвигатель могут вывести из строя несимметричное трехфазное напряжение питания, заклиненная машина, которая им приводится во вращение, и т. д. Неблагоприятные условия внешней среды влияют на состояние изоляции, состояние токоведущих частей и несущих деталей.
Могут быть различные механические воздействия, нарушающие надежность электрооборудования.
Для сохранения надежности работающего электрооборудования необходимо его обязательное обслуживание специальным персоналом. Обслуживание включает технические осмотры, технические уходы, различные виды ремонтов. Для всех этих мероприятий составляются графики их проведения. Но недостатком графиков является то, что они могут быть только на бумаге, потому что различные непредвиденные ситуации при обслуживании оборудования могут нарушить график.
Действенным методом для сохранения надежности электрооборудования является получение информации о его работе в любой момент и действия в соответствии с этой информацией. Средством получения информации является осмотр электрооборудования.
Осмотр электрооборудования
Большое значение в предупреждении отказов оборудования имеет осмотр его грамотным специалистом с целью выявления необходимости ремонта. Осмотр при отказе оборудования производится с учетом имеющихся признаков. Например, при появлении признаков ненормальной работы электродвигателя — нагрев, ненормальный шум — нужно проверить всю цепь питания, включая его зажимы, и если все исправно, то проверить механические детали двигателя и приводимой им машины.
При нечеткой работе автоматики нужно проверить всю систему автоматического регулирования данного объекта.
Осмотр цепи питания оборудования производится после присоединения к этой цепи новых электроприемников, после коротких замыканий и загораний и т. д.
Осмотр обязателен после длительных перерывов в работе электрооборудования, перед его включением в работу.
При осмотре записываются сведения о необходимой замене аппаратов или их деталей, о необходимости сушки электродвигателей, при этом осмотр сопровождается измерением сопротивления изоляции.
После осмотра подготавливается все необходимое для замены и ремонта электрооборудования и производится его ремонт.
Устранение видимых неисправностей
Отказы могут быть обусловлены видимыми и невидимыми неисправностями. Видимые неисправности выявляются во время осмотра электрооборудования. Такими неисправностями обычно являются нагрев зажимов аппаратов и зажимов присоединения электрических машин, нагрев мест касания ножей и контактных стоек в рубильниках, нагрев контактов аппаратов. Этот нагрев может сопровождаться обугливанием пластмассовых корпусов и изоляции проводов, пробоем изоляции.
В электронных устройствах обычно сгорают детали из-за малой их надежности или большого тока в цепи.
Видимые неисправности устранить не сложно, но нужно выяснить их причины, так как эти причины могут привести к неисправностям и отказам и после ремонта.
При устранении нагрева зажимов обычно не приносит пользы подтягивание их гаек, так как нагрев происходит из-за большого сопротивления при окислении деталей. Зажим нужно разбирать и производить чистку от окислов его деталей. Причем, если зажим находится на болте или шпильке, то окисляется и другой конец болта или шпильки, и если на другом конце есть соединение с токоведущей частью, то нужно разбирать все соединения на болте или шпильке.
При нагреве зажима в рубильнике обычно окисляется нож и контактная стойка, и переделка зажима не поможет, поэтому нужно менять все окисленные детали.
То же может быть и при окислении контактных групп и в аппаратах другой конструкции.
При нагреве зажимов или неподвижных контактов в автомате обычно выгорают места крепления деталей в пластмассе, поэтому автомат нужно менять. Если у автомата выгорела одна фаза, то его можно использовать в двухфазных цепях.
Поиск и устранение невидимых неисправностей
Часто причины неисправностей различных устройств и систем являются невидимыми, и нужно начинать с их поиска. Поиск причин можно начать с разборки устройств и проверки всех деталей, соединительных линий и т. д., но это потребует затраты большого количества времени и сил, и может быть бесполезно. Поэтому в таких случаях применяется логический подход в поиске неисправностей, основанный на рассуждениях. Этот подход требует определенной квалификации персонала. Квалификацию нужно понимать в широком смысле, учитывая общую культуру человека, его психическую устойчивость, знания в технике и по специальности, опыт предыдущей работы. Необходимы знания устройства и принципа работы установки или системы.
Так как нельзя держать в уме сведения о работе всех установок и устройств, то нужно пользоваться инструкциями по их эксплуатации.
О взаимосвязи различных устройств в установке, различных элементов в устройстве дают представление различные схемы, прилагаемые к инструкции. Может быть несколько схем одной и той же установки. Чтобы знать, какой схемой пользоваться данном случае, рассмотрим, какие схемы существуют.
По. виду применяемой энергии в установке, которую отображает схема, схемы могут быть электрические, пневматические, гидравлические, смешанные и другие. Мы будем рассматривать только электрические схемы.
Типы электрических схем
Приведем некоторые понятия для определения составных частей изделий и установок.
Элемент — часть изделия, которая не может быть разделена на части, имеющие определенное функциональное значение (резистор, конденсатор, микросхема, катушка, контакт и т. д.).
Устройство — совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (плата, блок, шкаф и т. д.).
Функциональная группа — совокупность элементов, не объединенных в единую конструкцию, но выполняющих в изделии определенную функцию (цепи управления, цепи автоматики).
Функциональная часть — любая из рассмотренных частей, если она выполняет в изделии определенные функции.
Структурная схема содержит самые общие сведения об изделии, где показаны его функциональные части, их назначение и взаимосвязь. Структурная схема применяется при проектировании изделия, а также может применяться для уяснения принципа действия устройства.
Примером структурной схемы может служить схема лабораторного термостата для воды на рис. 11. 1, принципиальная схема которого показана на рис. 11. 2.
Рис. 11. 1. Структурная схема лабораторного термостата:
ЗУ — задающее устройство, Д — датчик, ИУ — измерительное устройство, СУ — суммирующее устройство. У, БГ — усилитель и блокинг-генератор, К — ключ, УИ — устройство исполиительное, РО — рабочий орган, ОР — объект регулирования, БП — блок питания, В — выпрямитель, С — стабилизатор.
Функциональные части изделия показаны прямоугольниками, внутри которых указаны названия этих частей. Прямоугольники расположены в порядке передачи сигнала между частями, направление сигнала показано стрелками. Источник
питания, состоящий из выпрямителя и стабилизатора, показан отдельно.
Принципиальная схема содержит все элементы устройства и все связи между ними. Элементы обозначены согласно принятым условным обозначениям (прил. 1). Принципиальные схемы используются при детальном изучении устройства, при его настройке, наладке и поисках неисправностей. Но принципиальные схемы не всегда удобны для изучения работы сложного устройства, потому что не дают возможности выделить отдельные функциональные группы и связь между ними, т. е. они являются излишне подробными.
Рис. 11.2. Принципиальная схема лабораторного термостата (типономиналы элементов схемы приведены в прил. 5).
Функциональные схемы занимают промежуточное положение между структурными и принципиальными схемами и совмещают в себе их особенности. В этих схемах части устройств, которые можно рассматривать как единое целое, обозначают прямоугольниками, а усилители могут изображаться в виде треугольников. Элементы, необходимые для уяснения работы схемы, изображаются как на принципиальной схеме.
Примером функциональной схемы является схема системы управления серии САУНА погружными насосами для воды, показанная на рис. 11.3, а, принципиальная схема этой системы показана на рис. 11.3, б.
Блок логики получает сигнал при местном включении на-
Рис. 11.3. Схемы системы управления погружным насосом:
а) функциональная; б) принципиальная (перечень элементов схемы приведен в прил. 5).
coca от тумблера, при автоматическом включении насоса — от датчика уровня, при дистанционном включении — от реле РИВ и РИО.
В данном случае для понимания принципа работы системы не нужно знать принципиальную схему блока логики и автоматического выключателя, поэтому они обозначены прямоугольниками. Кроме того, как функциональные части системы в прямоугольники заключены пускатель КМ, тумблер SA, датчик уровней, блок реле дистанционного включения, шкаф управления.
Схема соединении представляет собой чертеж, показывающий примерное расположение функциональных частей, провода, подходящие к частям, и их маркировку. Чтобы не загромождать чертеж, провода показаны не полностью, а только их концы. На рис. 11. 4 показана схема соединений станции управления системы САУНА. Прямоугольниками показаны места расположения функциональных частей станции, в том числе колодок зажимов. Данные схемы могут применяться при отыскании неисправностей и при замене элементов во время ремонта, так как по маркировке легко проследить провода и назначение зажимов.
Ряс. 11. 4. Схема соединений станции управления погружным насосом.
Схема внешних соединений показывает все части системы и провода, их соединяющие, с маркировкой мест присоединения — рис. 11.5. Схема полезна при монтаже системы на месте установки, при замене частей системы во время ремонта.
Рис. 11.5. Схема внешних соединений станции управления погружным насосом.
Электромонтажные схемы применяются при производстве электронных устройств. На схемах обозначаются все детали, провода, кабели, жгуты, приводятся все данные, необходимые для монтажа устройства.
При монтаже проводки и электрооборудования в производственных, общественных и жилых помещениях применяются схемы проводок на планах этих помещений. На схемах условными обозначениями показываются различные устройства и установочные изделия и связывающие их провода и кабели. На рис. 11.6 показана простейшая схема проводки в комнате на плане этой комнаты. Условные обозначения проводок на планах приведены в прил. 1.
Рис. 11.6. Схема проводки на плане комнаты. 1 — щиток со счетчиком и защитой, 2 — коробка ответвительная.
В однофазной проводке соединения проводов, идущих к отдельным установочным изделиям, производятся в соединительных коробках. Если эти соединения произведены неправильно, то при включении приемников энергии они могут не работать, или работать при самовключении, в патроне светильника всегда может быть фаза и т. д. Это затрудняет и поиски неисправности. Поэтому важно знать принцип соединения проводов в коробках при однофазной проводке, что показано на рис. 11.7.
Рис. 11.7. Схема соединений при однофазной проводке.
Фазный провод из коробки идет через выключатель на патрон светильника к его центральному контакту. Нулевой провод идет минуя выключатель на другой контакт патрона. К розетке идут фазный и нулевой провода. Если для защиты используются резьбовые предохранители, то подходящие к ним провода подходят к центральным зажимам, а отходящие провода присоединяются к зажимам резьбы. При защите автоматами подходящие провода присоединяются к неподвижным контактам автоматов. Соединение проводов в коробках необходимо производить винтовыми зажимами. Как показывает практика, соединения скрутками могут нагреваться, что приводит к нагреву проводов, подходящих к коробке, и обугливанию их изоляции в месте ввода в коробку, загоранию материалов отделки стен, если они горючие. Также нужно заранее проверять плотность затяжки винтов в установочных изделиях, зажимов присоединения проводов, плотность вхождения вилок в розетки, потому что при любых слабых соединениях может быть нагрев изоляции, материала корпусов изделий и их загорание.
Пример поиска неисправности в электроустановке
Поиск неисправности произведем на основе части принципиальной схемы, относящейся к одному двигателю (рис. 11.8).
Рис. 11.8. Часть принципиальной схемы электроустановки (перечень элементов схемы приведен в прил. 5).
Схема содержит силовую цепь и цепь управления. В силовой цепи показаны автоматические выключатели QF1 — общий и QF2 в цепи двигателя, пускатель КМЗ, двигатель МЗ, реле тепловые КК.3, реле максимального тока КЗ.
В цепи управления используется напряжение 220 В, защита осуществляется автоматическим выключателем SF. Напряжение в цепь управления подается контактом реле управления КУ, которое включается кнопкой SB1 и выключается кнопкой SB2. Далее цепь управления разветвляется: один провод идет к выключателю SA1, который имеет два положения — «Работа» и «Наладка», при работе он включен, а при наладке отключен, что показано на схеме. Второй провод идет к выключателю SA2, который имеет четыре положения, и для данного двигателя выключатель включен в положении 2, т. е. при наладке.
Показана цепь катушки пускателя КМЗ, который включается кнопкой SB3, отключается кнопкой SB4, после включения кнопка шунтируется блок-контактом пускателя КМЗ. Для защиты двигателя в цепи катушки имеется контакт ККЗ реле теплового, контакт КЗ реле максимального тока и контакт SQ конечного выключателя для защиты двигателя при аварийном режиме. В рабочем режиме ток катушки пускателя идет через блок-контакты пускателей КМ1 и КМ2, которые должны быть включены первыми по условиям технологического процесса.
Допустим, оператор сообщил, что не включается двигатель МЗ. Сначала нужно лично убедиться в этом, нажав на кнопку SB3. Если двигатель не включается, то нужно проверить, включено ли реле управления КУ, проверить положение переключателя SA 1, который должен быть в положении «Наладка». То же относится и к переключателю SA2, так как в данном случае идет опробование одного двигателя. Если двигатель не включается при включении реле КУ и правильном положении переключателей, то проверка продолжается, что представлено для наглядности логической схемой на рис. 11.9.
Далее нужно проверить, работает ли пускатель. При работающем пускателе нужно проследить прохождение напряжения с выхода пускателя до двигателя. Сначала нужно проверить наличие напряжения на выходе пускателя между фазами двухполюсным индикатором. Однополюсный индикатор может показать напряжение и при отсутствии его в одном или двух проводах, так как напряжение может появиться, пройдя обмотки двигателя и возвратившись к пускателю, если оно есть только в одном проводе. Поэтому при проверке однополюсным индикатором нужно отсоединить провода на выходе пускателя.
Если есть напряжение на выходе пускателя, то нужно проверять напряжение на входе двигателя, т. е. на его зажимах, двухполюсным индикатором, а при отсутствии двухполюсного индикатора — однополюсным в каждом проводе при его отсоединении от двигателя.
Если напряжение на зажимах двигателя есть, а он не реагирует, т6 двигатель вышел из строя.
Если на выходе пускателя нет напряжения в одном или нескольких проводах, то нужно проверить силовую цепь до пускателя. При наличии напряжения на входе пускателя нужно проверить сам пускатель.
При наличии напряжения на выходе пускателя и его отсутствии на зажимах двигателя нужно проверить кабель или провода от пускателя до двигателя.
Если при нажатии кнопки SB3 пускатель не работает, то нужно проверить напряжение на катушке при нажатой кнопке. Напряжение на катушке лучше проверять двухполюсным индикатором, но можно и однополюсным, при этом при напряжении на катушке 380 В проверку нужно производить после отсоединения от катушки одного провода.
При наличии напряжения на катушке нужно проверить исправность катушки. Если катушка исправна, а пускатель не включается, то неисправен пускатель.
Если нет напряжения на катушке, то нужно проверить наличие напряжения на участках цепи управления, при этом предлогается, что все выключатели и реле в цепи управления находятся в рабочем и исправном положении. Сначала можно проверить наличие напряжения на выходе выключателя SA2, потом на кнопках SB4 и SB3, на реле тепловом ККЗ, конечном выключателе SQ, или наоборот, проверять наличие напряжения, двигаясь от катушки пускателя. Если на входе какого-то элемента, например, кнопки SB4, напряжение есть, а на выходе нет, то неисправен этот элемент. Контакты этого элемента обычно или не плотно касаются, или окислились, загрязнились, или между контактами попал мусор, могут быть и поломки деталей крепления контактов.
Вместо проверки напряжения на участках цепи управления можно проверять целость цепи измерением сопротивления мегаомметром, омметром. При целости цепи прибор покажет сопротивление, равное нулю, а при нарушении цепи — сопротивление, большее нуля, и при обрыве цепи — сопротивление, соответствующее наибольшему сопротивлению по шкале прибора.
Целость цепи можно также проверить щупом — двухполюсным прибором, содержащим источник автономного питания (элементы, батарейка) и лампочку. При включении прибора последовательно с участком цепи лампочка загорается при исправном участке этой цепи.
Измерение сопротивлений и проверка щупом производятся при снятом напряжении.
При отсутствии приборов целость участков цепи можно проверить перемычками из провода, присоединяемыми параллельно участкам цепи или контактам приборов или аппаратов. Для безопасности перемычки надо присоединять при отсутствии напряжения. Если участок цепи в других местах исправен, то при наличии перемычки на неисправном месте пускатель включится. После этого перемычка снимается, неисправные прибор или провод заменяются, причем если провод находится в жгуте, то его можно не вынимать из жгута, а отсоединить и вместо него присоединить другой.
Поиск неисправности в электронном устройстве
Поиск неисправности рассмотрим на примере термостата с помощью его структурной и принципиальной схем, которые были представлены ранее (рис. 11.1, 11.2). Поиск причины отказа в электронном устройстве начинается с логических рассуждений при рассмотрении сначала структурной схемы.
На структурной схеме определяются функциональные группы, обозначенные прямоугольниками, которые могут быть причиной отказа. Потом эти группы определяются на принципиальной схеме, где они представлены элементами. Элементы, отказ которых может привести к данному отказу устройства, находятся на платах, в блоках и модулях, которые являются конструктивными частями устройства. При наличии запасных блоков и модулей неисправные могут быть заменены ими, с тем чтобы произвести позднее ремонт отказавших. В данном случае в состав устройства входит только плата, на которой можно проверить все элементы.
Допустим, что отказ заключается в том, что вода не нагревается. Из структурной схемы устройства видно, что все его функциональные группы включены последовательно, значит, отказ любой группы, обозначенной прямоугольником, может привести к отказу устройства.
Начать проверку устройства лучше с проверки наличия напряжения в сети, целости предохранителя, элементов блока питания. Для проверки данного устройства можно применить тестер, содержащий омметр.
При наличии напряжения на выходе блока питания нужно проверить нагревательный элемент и тиристор. При их исправности нужно последовательно проверять систему управления тиристором, схему сравнения, чувствительный элемент, трансформатор.
Неисправность устройства может заключаться в том, что не устанавливается требуемая температура воды или нагрев не отключается. В данном случае нужно проверить и при необходимости заменить переменный резистор R3 или датчик температурыR21.
Отказы при работе некоторых электроустановок
В табл. 11.1 приведены неисправности и отказы некоторых электроустановок. Для понимания принципа работы электроустановок приведены их структурные схемы и краткое описание.
Теплогенераторы
Рассматриваемые теплогенераторы представляют собой устройства для сжигания жидкого топлива с целью подогрева
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Продолжение табл. 11.1
Продолжение табл. 11.1
Продолжение табл. 11.1
Продолжение табл. 11.1
Продолжение табл. 11.1
Продолжение табл. 11.1
Продолжение табл. 11.1
Окончание табл. 11.1
воздуха или воды. Они имеют камеру сгорания, систему зажигания, состоящую из электродов, трансформатора зажигания и проводов высокого напряжения, систему подачи топлива, частью которой является электромагнитный вентиль и устройство распыления топлива, систему контроля пламени (рис. 11.10).
Рис. 11.10. Структурная схема теплогенератора.
Электрокалориферы
Наряду с теплогенераторами на жидком топливе используются электрокалориферы, в которых происходит нагрев воздуха при продувании его мимо нагревательных элементов (ТЭН) вентилятором (рис. 11.11).
Рис. 11.11. Структурная схема электрокалорифера.
Водонагреватели
Водонагреватель представляет собой емкость для воды, в которую вставлен блок ТЭН. Регулирование температуры воды и защита от сухого хода, т. е. от работы без воды, осуществляются с помощью температурного реле, защита от коротких замыканий — предохранителями в пульте управления (рис 11.12).
Рис. 11 12. Структурная схема водонагревателя.
Электродные котлы
В электродных котлах вода нагревается при прохождении через нее электрического тока между специальными электродами. Котлы могут применяться в замкнутой системе проточной воды для отопления помещений, при этом циркуляцию воды создают насосы. Имеется система регулирования температуры воды и аварийного отключения с помощью электроконтактных термометров (рис. 11.13).
Рис. 11.13. Структурная схема электродного котла.
Электрокипятильники
Электрокипятильники применяются в местах общественного питания для приготовления кипятка. Их можно назвать электросамоварами с автоматической подачей холодной воды, автоматическим включением и отключением, для чего имеются датчики уровня холодной воды, верхнего и нижнего уровней кипятка (рис. 11.14).
Тельферы
Тельферы служат для подъема и перемещения груза и применяются во многих местах, например, в ремонтных мастерских, в котельных, в сборочных цехах (рис. 11.15).
Рис. 11.14. Структурная схема электрокипятильника.
Рис. 11.15. Структурная схема тельфера.
Тельфер состоит из подъемного устройства в виде лебедки, которое закреплено на тележке. Тележка может перемещаться вдоль балки с помощью механизма перемещения, сама балка также может перемещаться с помощью своего механизма вдоль помещения.
Электрооборудование артезианских скважин
Оборудование предназначено для подъема воды из подземных пластов и состоит из насосного агрегата, опущенного на конце трубы в скважину до уровня воды. Скважина укреплена обсадной трубой.
На поверхности в специальном помещении находится аппаратура управления установкой.
Система автоматического управления наружным освещением
В данной системе освещение включается и отключается пускателем, получающим сигнал от промежуточного реле, управляемого сигналом от фотосопротивления (рис. 11.16).
Рис. 11.16. Принципиальная схема управления наружным освещением с помощью фотореле (типономиналы элементов схемы приведены в прил. 5).
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Рис. 11.1. Структурная схема лабораторного термостата:
Рис. 11.10. Структурная схема теплогенератора.
Рис. 11.11. Структурная схема электрокалорифера.
Рис. 11.12. Структурная схема водонагревателя.
Рис. 11.13. Структурная схема электродного котла.
Рис. 11.14. Структурная схема электрокипятильника.
Рис. 11.15. Структурная схема тельфера.
Рис. 11.16. Принципиальная схема управления наружным освещением с помощью фотореле (типономиналы элементов схемы приведены в при
Рис. 11.2. Принципиальная схема лабораторного термостата (типономиналы элементов схемы приведены в прил. 5).
Рис. 11.3. Схемы системы управления погружным насосом:
Рис. 11.4. Схема соединений станции управления погружным насосом.
Рис. 11.5. Схема внешних соединений станции управления погружным насосом.
Рис. 11.6. Схема проводки на плане комнаты. 1 — щиток со счетчиком и защитой, 2 — коробка ответвительная.
Рис. 11.7. Схема соединений при однофазной проводке.
Рис. 11.8. Часть принципиальной схемы электроустановки (перечень элементов схемы приведен в прил. 5).
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (окончание)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 1)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 2)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 3)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 4)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 5)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 6)
Таблица 11 .1 ОТКАЗЫ ПРИ РАБОТЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК (продолжение 7)
13. Литература
Литература
1. Антипин В. С., Наймушин В. И. Справочник молодого монтажника прибора контроля и систем автоматизации. М., Высшая школа, 1991.
2. Бирюков Ю. С., Быков Б. Ф., Книгель В. А. Монтаж контактных соединений в электроустановках. М., Энергоатомиздат, 1990.
3. Басе Э. И., Жданов Л. С. Катушки реле защиты и автоматики. М., Энергия, 1974.
4. Бродский М. А. Справочник радиомеханика. Минск, Высшая школа, 1974.
5. Варварин В. К., Койлер В. Я., Панов П. А. Справочник по наладке электрооборудования. Россельхозиздат, 1979.
6. Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. М., Колос, 1982.
7. Голыгин А. Ф., Ильяшенко Л. А. Устройство и обслуживание электрооборудования промышленных предприятий. М., Высшая школа, 1986.
8. Джейкокс Дж. Руководство по поиску неисправностей в электронной аппаратуре. Перевод с английского. М., Мир, 1989.
9. Долин П. А. Справочник по технике безопасности. М., Энергоиздат, 1982.
10. Дулицкий Г. А., Комаревцев А. П. Электробезопасность при эксплуатации электроустановок напряжением до 1000 В. Справочник. М., Военное издательство, 1988.
11. Ермолин Н. П., Жерихин И. П. Надежность электрических машин. М., Энергия, 1979.
12. Жеребцов И. Н. Основы электроники. М., Энергоатомиздат, 1989.
13. Жданов Л. С., Овчинников В. В. Электромагнитные реле тока и напряжения РТ и РН. М., Энергоиздат, 1981.
14. Каминский Е. А. Как добиться надежной работы электроустановок. М., Энергоатомиздат, 1986.
15. Камнев. Чтение схем и чертежей электроустановок. М., Высшая школа, 1990.
16. Каминский Е. А. Звезда, треугольник, зигзаг. М., Энергоиздат, 1985.
17. Кобзева 3. И., Доценко Г. И. Справочник электрозащитных средств и предохранительных приспособлений. М., Энергоатомиздат, 1984.
18. Кузнецов Р. С. Аппараты распределения электроэнергии на напряжение до 1000 В. М., Энергия, 1970.
19. Карвовский В. А., Окороков С. П. Справочник по асинхронным двигателям и пуско-регулирующей аппаратуре. М., Энергия, 1969.
20. Кравчих. А. Э. и др. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А. М., Энергоиздат, 1982.
21. ЛобашевТ. И., Дацков И. И. Эксплуатация электродвигателей и пуско-защитной аппаратуры. М., Россельхозиздат, 1972.
22. Никулин С. М. Надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры. М., Энергия, 1979.
23. Найфельд М. Р. Заземление и другие защитные меры. М., Энергоатомиздат, 1975.
24. Родин В. И. и др. Унифицированная серия асинхронных двигателей Интерэлектро. М., Энергоатомиздат, 1990.
25. Трифонов А. Н., Черноусов А. И. Твой инструмент. М., Энергоатомиздат, 1987.
26. Хомяков А. М. Средства защиты работающих, применяемые в электроустановках. М., Энергоатомиздат, 1981.
27. Чистяков М. Н. Справочник молодого рабочего по электроизмерительным приборам. М., Высшая школа, 1990.
28. В помощь радиолюбителю. Выпуск 109. М., Патриот, 1991. Составитель И. Н. Алексеева.
Четвертков И. Резисторы. Присняков В. Конденсаторы.
29. В помощь радиолюбителю. Выпуск 110. М., Патриот, 1991. Составитель И. Н. Алексеева.
Замятин В. Полупроводниковые диоды. Тиристоры.
30. Министерство энергетики и электрификации СССР. Госэнергонадзор. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. М., Атомиздат, 1975.
31. Правила Устройства электроустановок. ПУЭ—76. М., Атомиэдат. Отдельные разделы. 1976—1982.
32. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. Т. 2, Электрооборудование. Под общей редакцией А. А. Федорова. М., Энергоатомиздат, 1987.
33. Электротехнический справочник. Под общей редакцией профессоров МЭИ. Гл. редактор И. Н. Орлов. Т. 3, Кн. 2. М., Энергоатомиздат, 1988.
34. Справочник по электрическим машинам. Под общей редакцией д. т. н. И. П. Копылова и к. т. н. Б. К. Клокова. Т. 1. М., Энергоатомиздат, 1988.
35. Инструкции по эксплуатации электрооборудования, рассматриваемого в справочнике.
3. Раздел 3.
Раздел 3.
1. Коммутатор нагрузки
Коммутатор нагрузки
На практике довольно часто встречаются случаи, когда некоторые виды электрической нагрузки (например, лампы накаливания в устройствах световой сигнализации) необходимо эксплуатировать в импульсном режиме, поскольку он не только экономичнее, но часто и эффективнее (мигающая лампа в большей степени привлекает внимание).
Сейчас многие автомобилисты хотят установить на машину дополнительные стоп-сигнальные фонари, работающие в импульсном режиме. Как показывает практика, такие фонари повышают безопасность движения. Промышленность и производственные кооперативы быстро откликнулись на удовлетворение спроса в соответствующих фонарях, а вопрос о коммутаторах для них пока остался нерешенным. И тут уж в дело идет все - от термоэлектрических прерывателей до светодинамических установок.
Рис 1. Принцип действия коммутатора.
В журнале "Радио" неоднократно были опубликованы описания электронных коммутаторов различной степени сложности и назначения. Но у них всех есть одна общая черта, скорее - недостаток. Он заключается в том, что коммутатор с нагрузкой подключены к источнику питания параллельно, из-за чего общее число проводников в цепях питания коммутатора и нагрузки - не менее трех. Сказанное поясняет функциональная схема на рис.1а. Здесь SF1 - выключатель питания (для случая стоп-сигнальных фонарей механически связанный с педалью тормоза); Rн - нагрузка (лампы накаливания); Iк - ток коммутатора; Iн - ток нагрузки. Недостаток такого устройства очевиден.
Намного более удобна последовательная схема соединения нагрузки и коммутатора, показанная на рис.1б. Во-первых, она обеспечивает минимум соединительных проводов. Во-вторых, если условиться, что коммутирующими элементами в обоих случаях служат ключи с одинаковыми параметрами, то при прочих равных условиях (Uпит, Rн) ток, потребляемый устройством по схеме рис. 1б, меньше, чем по схеме рис. 1а, на Iк. Именно такой коммутатор и описан ниже.
Представьте себе, что вы приобрели дополнительные фонари стоп-сигналов, соединили их параллельно и установили, как обычно, у заднего стекла в салоне автомобиля. Один из выводов фонарей соединили с корпусом непосредственно в салоне, чтобы не тянуть длинный провод, а другой - провели в багажник и подключили параллельно одной из ламп основного стоп-сигнала. При нажатии на педаль тормоза вместе с основными включаются дополнительные фонари.
Следующий этап совершенствования вновь установленной системы - перевод ее работы в режим мигания с низкой частотой при нажатии на педаль тормоза. В случае реализации этого режима по схеме на рис. 1б достаточно описываемый коммутатор включить в разрыв провода от дополнительных фонарей к корпусу.
Принципиальная схема коммутатора показана на рис. 2. Он состоит из мультивибратора на двух логических элементах DD1.1, DD1.2, буферного формирователя на элементах DD1.3, DD1.4 и электронного ключа на сложном составном транзисторе VT1VT2VT3. Отличительная особенность коммутатора от ближайших прототипов - в способе подачи на микросхему питающего напряжения. Принцип работы коммутатора основан на использовании свойств микросхем структуры КМОП - чрезвычайно высокого входного (до нескольких тысяч мегаом) и относительно большого выходного (до одного килоома) сопротивления, ничтожного потребления тока (от 0,1 до 100 мкА) в статическом режиме при значительном (до 10 мА) выходном токе и, наконец, работоспособности в широком интервале питающего напряжения-2,4...30 В.
Рис 2. Принципиальная схема коммутатора.
В общем случае, когда плюсовой вывод питания микросхемы подключен непосредственно к источнику постоянного напряжения, работа генератора несколько различна в случаях применения микросхем серий К164, К176 и К561. Длительность выходных импульсов и период колебаний находятся в зависимости не только от произведения номиналов времязадающей цепи (R1C1), но и от числа ограничительных (защитных) диодов во входных цепях элементов микросхем. Так, если в генераторе использованы элементы с одним диодом, время зарядки конденсатора С1 через резистор R1 до порогового напряжения равно 0,7 R1C1, а разрядки - 1,1 R1C1. Период колебаний будет равен t=1,8R1C1 с. Если же в элементах по два диода, значения времени зарядки и разрядки равны, период равен t=1,4R1C1 с.
На рис. 3 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу описываемого коммутатора. Видно, что диаграмма напряжения на левой по схеме обкладке конденсатора С1 (по сравнению с аналогичной диаграммой в [2] на рис. 10, б) имеет характерную особенность: переключение элемента DD1.1 по выходу в состояние 1 происходит при пороговом напряжении Uпор2, значительно меньшем, чем Uпор1. Объясняется это тем, что в течение времени t2=t3 - t2 напряжение питания микросхемы равно падению напряжения на открытом транзисторе VT3 (см. рис 2). А поскольку оно значительно меньше Uпит то и переключение элементов в этот промежуток времени происходит при значительно меньшем пороговом напряжении.
В таблице представлены основные параметры коммутатора, снятые при постоянном напряжении источника питания Uпит=12 В. Для удобства снятия параметров значение R1C1 было взято в пятьсот раз меньше указанного на принципиальной схеме (т. е. измерения проводили на более высокой частоте, чем рабочая частота коммутатора). Из полученных результатов следует, что при Uпит=const параметры устройства зависят в основном от сопротивления коммутируемой нагрузки (при прочих равных условиях они будут несколько отличаться от указанных в таблице в случае использования других типов мощных транзисторов и микросхем). Кроме того, нижний предел напряжения питания (2,4 В), при котором еще сохраняется переключающая способность элементов структуры КМОП, делает заметным превышение напряжения на открытом транзисторе VT3 от напряжения насыщения этого транзистора. Однако это вряд ли можно считать препятствием для использования коммутатора с такими нагрузками, как устройства световой сигнализации - дополнительных стоп-сигнальных фонарей, указателя поворотов и т. п. Скорее наоборот, поскольку напряжение бортовой сети автомобиля при работающем двигателе, как правило, равно 14 В, т. е. больше номинального.
| Rн, Ом | D Uкэз. В | Unop1. В | Unop2. B | t1, мс | t2, мс | F, Гц |
| 1 | 4,2 | 4,2 | 1,74 | 1,4 | 0,95 | 425 |
| 1,6 | 3,9 | 4,2 | 1,5 | 1,4 | 0,96 | 423 |
| 5 | 3 | 4,2 | 1,2 | 1,4 | 1,24 | 378 |
| 10 | 2,7 | 4,2 | 1,1 | 1,4 | 1,4 | 357 |
| 50 | 2,44 | 4,2 | 0,9 | 1,4 | 5 | 156 |
| 100 | 2,43 | 4,2 | 0,6 | 1,4 | 9,2 | 94 |
| 500 | 2,42 | 4,2 | 0,3 | 1,4 | 22,5 | 42 |
Примечание: R1=200кОм, С1=0,01мкФ
Вполне достаточная яркость свечения ламп выгодно сочетается с более мягким режимом накала из-за падения напряжения на коммутаторе. Зависимость времени зарядки конденсатора С1 от напряжения источника питания менее заметна, чем от сопротивления нагрузки. Так, при Rн=1,6 Ом и изменении Uпит от 14 до 5 В время коммутации нагрузки увеличивается менее чем на 10 %. Примерно на столько же уменьшается частота коммутации.
Основные технические характеристики:
Напряжение питания, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5...30 В
Максимальный коммутируемый ток нагрузки при температуре
корпуса коммутатора tкорп=50°С, . . . . . . . . . . . . . 10 А
Частота коммутации при мощности нагрузки 2Х5 Вт . . . . . 1 Гц
Скважность импульсов коммутации при мощности
нагрузки 2Х5 Вт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,9
Резистор коммутатора - ВС, МЛТ, ОМЛТ или УЛМ. Конденсатор лучше использовать КМ-6, однако подойдут и К53-1, К50-3, К50-12 и др. Номиналы резистора и конденсатора могут отличаться от указанных на схеме. Важно лишь, чтобы параметры времязадающей цепи удовлетворяли необходимому ритму коммутации. Транзисторы КТ315 могут быть любыми из этой серии; возможна их замена на один транзистор КТ3142А (в этом случае выходы буферного формирователя необходимо объединить). Транзистор КТ818Б - также любой из этой серии. Вместо К561ЛА7 можно использовать микросхемы К561ЛЕ5, К564ЛА7 или К564ЛЕ5. Возможность использования аналогичных микросхем серии К176 или 164 должна быть экспериментально проверена, поскольку в устройстве безусловно, применимы лишь микросхемы с элементами, оснащенными двумя защитными диодами (так как только они работают в указанных пределах питающего напряжения).
Конструктивно коммутатор выполнен в виде герметичного блока (рис.4). Из листового металла с хорошей теплопроводностью (медь, алюминиевый сплав, латунь) вырезают прямоугольную пластину-основание размерами 50х20х4 мм. Толщину пластины выбирают из соображений обеспечения необходимой жесткости конструкции. К пластине винтом или заклепкой крепят мощный транзистор VT3, после чего к его выводам припаивают остальные детали. Микросхему на пластину кладут выводами вверх (рис. 5).
Затем из плотной бумаги склеивают прямоугольную форму, которую отогнутыми краями приклеивают к пластине так, чтобы детали оказались внутри формы. Высота стенок формы должна быть на 1,5...2 мм больше высоты смонтированного узла. К эмиттеру мощного транзистора припаивают гибкий вывод длиной 15...20 см из многожильного провода сечением 1мм2. Вывод пропускают через отверстие, предварительно проткнутое шилом в стенке формы в соответствующем месте. Вторым выводом служит пластина-основание. В форму заливают эпоксидный клей и, слегка наклоняя пластину, дают возможность всплыть пузырькам воздуха. После затвердевания смолы блок обтачивают напильником с трех сторон.
А. Кожуров г. Гродно
Литература:
1. Алексеев С. Применение микросхем серии К176.-Радио, 1984, № 4, с. 25-28.
2. Алексеев С. Формирователи и генераторы на микросхемах структуры КМОП.-Радио, 1985, № 8, с. 31-35.
001_1.gif
001_2.gif
001_3.gif
001_4.gif
001_5.gif
2. Применение микросхемы TDA 1558Q
TDA 1558Q (изготовитель - Philips).
Микросхема TDA1558Q представляет собой оконечный УМЗЧ для автомагнитол. Микросхема может включаться как УМЗЧ с четырьмя независимыми каналами с максимальной мощностью по 11 Вт в каждом канале при сопротивлении нагрузки 2 Ом, так и по мостовой схеме: два канала по 22 Вт, сопротивление нагрузки - 4 Ом.
Во время испытаний усилитель был подключен к стабилизированному источнику питания с напряжением 15 В. В качестве нагрузки использовались акустические системы "Амфитон" 25АС-027.
Мы рекомендуем этот усилитель тем, кто не доволен звучанием звуковой карты компьютера, но, в то же время, не хочет (или уже не имеет возможности) подключить линейный выход с карты к стереосистеме. Разница в качестве звука, даже с использованием не столь качественных акустических систем (например "Радиотехника" S-30), просто потрясающая.
 |  |
| Мостовое включение микросхемы TDA1558Q (2х22Вт) | Типовое включение микросхемы TDA1558Q (4х11Вт) |
1. Мостовое включение микросхемы TDA1558Q (2х22Вт)
2. Мостовое включение микросхемы TDA1558Q (4х11Вт)
Логотип PHILIPS
3. Аналог мощного стабилитрона
Аналог мощного стабилитрона.
    | Подобный стабилизатор работоспособен при токах нагрузки, не превышающих максимального тока стабилизации для данного стабилитрона. А если ток нагрузки значительно больше, пользуются более мощным стабилитроном, например, серии Д815, допускающим ток стабилизации 1...1,4 А. При отсутствии такого стабилитрона подойдет маломощный, но использовать его нужно в паре с мощным транзистором, как показано на рис. 2. В итоге получается аналог мощного стабилитрона, обеспечивающий на нагрузке достаточно стабильное напряжение даже при токе 2 А, хотя максимальный ток стабилизации указанного на схеме стабилизатора КС147А составляет 58 мА. Работает аналог так. Пока питающее напряжение, поступающее от выпрямителя, меньше напряжения пробоя стабилитрона, транзистор закрыт, ток через аналог незначительный (прямая горизонтальная ветвь вольт- амперной характеристики аналога, приведенной на рис. 4). При увеличении питающего напряжения стабилитрон пробивается, через него начинает протекать ток и транзистор приоткрывается (изогнутая часть характеристики) Дальнейшее увеличение питающего напряжения приводит к резкому росту тока через стабилитрон и транзистор, а значит, к стабилизации выходного напряжения на определенном значении (вертикальная ветвь характеристики), как и в обычном параметрическом стабилизаторе. Эффект стабилизации достигается благодаря тому, что в режиме пробоя стабилитрон обладает малым дифференциальным сопротивлением и с коллектора транзистора на его базу осуществляется глубокая отрицательная обратная связь. Поэтому при уменьшении выходного напряжения будет уменьшаться ток через стабилитрон и базу транзистора, что приведет к значительно большему (в h21Э раз) уменьшению коллекторного тока, а значит, к увеличению выходного напряжения. При увеличении же выходного напряжения будет наблюдаться обратный процесс. Значение стабилизированного выходного напряжения определяют суммированием напряжения стабилизации стабилитрона с напряжением эмиттерного перехода открытого транзистора (» 0,7 В для кремниевого транзистора и » 0,3 В для германиевого). Максимальный же ток стабилизации аналога будет практически в h21Э раз превышать такой же параметр используемого стабилитрона. Соответственно во столько же раз будет больше и мощность рассеивания на транзисторе по сравнению с мощностью на стабилитроне. Из приведенных соотношений нетрудно сделать вывод, что статический коэффициент передачи мощного транзистора должен быть не менее частного от деления максимального тока потребления нагрузки к максимальному току стабилизации стабилитрона. Максимально допустимый ток коллектора транзистора и напряжение между коллектором и эмиттером должны превышать соответственно заданный ток стабилизации аналога и выходное напряжение. При использовании транзистора структуры р-п-р его следует подключать в соответствии с приведенной на рис. 3 схемой. В этом варианте транзистор можно укрепить непосредственно на шасси питаемой конструкции, а остальные детали аналога смонтировать на выводах транзистора. Для снижения пульсаций выходного напряжения и уменьшения дифференциального сопротивления аналога параллельно выводам стабилитрона можно включить оксидный конденсатор емкостью 100...500 мкФ. В заключение немного о температурном коэффициенте напряжения (ТКН) аналога. При использовании прецизионных стабилитронов серий Д818, КС191, ТКН аналога будет значительно хуже ТКН стабилитрона. Если применен стабилитрон с напряжением стабилизации более 16 В, ТКН аналога будет примерно равен ТКН стабилитрона, а со стабилитронами Д808 - Д814 ТКН аналога улучшится. |
И. КУРСКИЙ
003_1.gif
003_2.gif
003_3.gif
003_4.gif
4. Применение микросхемы К548УН1
Применение микросхемы К548УН1.
Применение микросхемы К548УН1.
Интегральный сдвоенный предварительный усилитель К548УН1 является, как известно, микросхемой многоцелевого назначения. По сравнению с операционными усилителями общего применения, усилитель К548УН1 имеет существенно меньший уровень шумов, внутреннюю коррекцию, обеспечивающую устойчивую работу устройств на его основе при глубокой ООС, некритичен к нестабильности и пульсациям питающего напряжения, которое, кстати, может быть в пределах от 9 до ЗО В. Идентичность параметров полностью независимых каналов микросхемы позволяет использовать ее в высококачественных стереофонических трактах. Ниже рассмотрены примеры построения некоторых распространенных устройств на основе этой микросхемы.
Неинвертирующий линейный усилитель получается при включении микросхемы, как показано на рис. 1 (в скобках указаны номера аналогичных по назначению выводов второго канала). Максимальное входное напряжение устройства составляет примерно 0,3 В. Коэффициент усиления по постоянному току K=1+R3/R1.
Рис. 1
Максимальное сопротивление резистора R1 определяется при таком включении током базы Iб транзистора V2 (0,5 мкА) дифференциального каскада микросхемы: протекающий, через резистор ток должен быть, по крайней мере. в 10 раз больше базового тока. Учитывая, что напряженке на базе транзистора V2 должно быть таким же, как и на базе транзистора V4 этого каскада (а там оно составляет 1.3 В), максимальное сопротивление резистора R1 рассчитывают по формуле R1= 1,3/10Iб, откуда следует, что оно должно быть не более 260 кОм.
Сопротивление резистора R3, зависящие от напряжения питания, определяют из соотношения R3=(Uпит/2,6-1)R1. Поскольку наименьшее напряжение питания микросхемы равно 9 В, то минимальный коэффициент усиления постоянного тока составляет примерно 3,5. Максимальное его значение (при напряжении питания 30 В) - около 12.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на переменном токе Кu=1+R3/R2. При напряжении питания 25 В его в диапазоне частот 20...20 000 Гц можно сделать любым в пределах 10...1000.
Емкость конденсатора С4 (его включают параллельно корректирующему конденсатору микросхемы) зависит от требуемых усиления и полосы рабочих частот и для режима единичного усиления составляет 39...47 пФ. Конденсатор С1, развязывающий микросхему от предшествующих цепей по постоянному току, может иметь емкость от 0,2 мкФ и более, конденсатор С2, устраняющий паразитную связь по цепи питания, - 0,1...0,2 мкФ.
При необходимости шумы неинвертирующего усилительного каскада можно снизить (примерно в 1,4 раза), используя не оба, а только один из транзисторов дифференциального каскада. В этом случае вывод 2(13) микросхемы соединяют с общим проводом, а делитель RIC3R2R3 подключают к выводу 3(12), Максимальное сопротивление резистора R1 определяют из условия, чтобы текущий через него ток не менее чем в 5 раз превышал ток эмиттера Iэ транзистора V4 (100 мкА): R1=0,65/5Iэ (0,65- напряжение - в вольтах - на эмиттерах транзисторов V2, V4). При указанном соотнощенин токов сопротивление этого резистора должно быть не более 1,3 кОм. Что касается резистора R3, то его сопротивление при использовании одного транзистора на входе рассчитывают по формуле
R3=(Uпит/1,3-1)R1.
Инвертирующий линейный усилитель (рис. 2) позволяет избежать ограничения входного сигнала и устойчив без дополнительной коррекции, если усиление по постоянному току равно или больше 10. Скорость нарастания выходного сигнала усилителя в таком включении составляет не менее 4В/мкс (при отсутствии внешнего коррек- тирующего конденсатора). Коэффициент усиления по постоянному току определяется отношением сопротивлений резисторов цепи ООС R3 и R2 (K=R3/R2), по переменному - резисторов R3 и RI (Ku=R3/R1).
Рис. 2
Сказанное выше в отношении выбора сопротивлении резисторов R1 - R3, емкости конденсатора С4, а также конденсаторов на входе усилителя (С1) и в цепи питания С2 полностью относится и к случаю использования микросхемы в качестве инвертирующего усилителя.
Необходимо отметить, что при таком включении микросхемы использовать для. уменьшения шумов только один транзистор дифференциального каскада нельзя.
Усилитель воспроизведения катушечного магнитофона можно собрать по схеме, приведенной на рис. 3. При использовании универсальной магнитной головки 6Д24Н.1.У (от "Маяка-203") и скорости ленты 19,05 см/с усилитель имеет следущие технические характеристики:
Рабочий диапазон частот, Гц . . . . . . . . 40...18000 Номинальное напряжение, мВ, на частоте 1 кГц; входное . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 выходное . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Коэффициент гирмоническнх искажений на частоте 1 кГц, %, не более . . . . . . . 0,2 Относительный уровень шумов в канале воспроизведения, дБ, не более. . . . -53
Рис. 3
Как видно из рис. 3, микросхема К548УН1 включена в данном случае по схеме неинвертирующего усилителя с использованием обоих транзисторов дифференциального каскада. Требуемая коррекция АЧХ обеспечивается частотнозависимой цепью R4R5C5. Постоянная времени коррекции - 75 мкс - задана параметрами резистора R4 и конденсатора С5. Для коррекции АЧХ в области высших частот рабочего днапаэона частот служит конденсатрр С1, образующий вместе c индуктивностью магнитной головки колебательный контур, настроенный на частоту 18...20 кГц.
Микрофонный усилитель - еще одна область применения микросхемы, где важен малый уровень собственных шумов. Такой усилитель должен иметь, как правило, линейную АЧХ в номинальном диапазоне частот и обладать достаточно высокой перегрузочкий способностью. Устройство, собранное по схеме на рис.4, имеет следующие технические характеристики:
Номинальный диапазон частот, Гц, при неравномерностн АЧХ не более 1 дБ. . . . . . 20...20000 Hoминальное напряжение, мВ: входное . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 выходное . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Максимальное входное напряжение, мВ . . . . . . . 30 Входное сопротивление, кОм . . . . . . . . . . . 4,7 Отношение сигнал/шум в номинальном диапазоне частот, дБ, не менее. . . . . . . . . . 60 Коэффициент гармоник, %, при выходном напряжении 5 В . . . . . . . . . . . . . 0.2
Рис. 4
Микросхема в данном случае включена по схеме неинвертирующего усилителя с использованием одного транзистора дифференциального каскада, что, как уже говорилось, уменьшает уровень шумов.
Темброблоки высококачественных стереофонических усилителей НЧ можно выполнить но схемам, показанным на рис. 5 и 6. В первом из них (рис. 5) для изменения АЧХ применен пассивный мостовой регулятор. а микросхема служит для компенсации вносимых им потерь на средних частотах, во втором (рис. 6) мостовой регулятор включен в цепь ООС, охватывающей микросхему (активный регулятор).
Рис. 5
Рис. 6
Диапазон регулирования тембра на частотах 40 и 16 000 Гц первого из устройств +/-15 дБ, второго - не менее +/- 12 дБ. Коэффициент передачи обоих устройств при установке движков резисторов в среднее положение равен 1, неравномерность АЧХ в этом положении движков зависит от отклонения параметров элементов от указанных на схеме и, если это отклонение не превышает +/-5%, составляет примерно +/-1 дБ в диапазоне частот 20...20 000 Гц. Достоинство активого регулятора тембра - возможность использования переменных резисторов группы А (в регуляторе по схеме на рис. 5 они должны быть группы В). Для нормальной работы обоих устройств выходное сопротивление предшествующего каскада должно быть небольшим (не более 2 кОм).
Рассмотренными примерами, естественно, не исчерпываются возможности применения микросхемы К548УН1 в аппаратуре записи и воспроизведения звука. С неменьшим успехом ее можно использовать в микшерских пультах, активных фильтрах, многополосных регуляторах тембра и т. д.
Ю. Бурмистров, А. Шатров, г. Москва
004_1.gif
004_2.gif
004_3.gif
004_4.gif
004_5.gif
004_6.gif
5. Фотореле на симисторе
Фотореле на симисторе
Описания конструкций для автоматического включения и выключения освещения в зависимости от естественной освещенности неоднократно публиковались в различных изданиях, например [1, 2]. В качестве коммутирующего элемента в устройствах использовались либо электромагнитные реле, либо тиристор. В предлагаемой конструкции эту функцию выполняет симистор. Благодаря тому, что его работа не зависит от полярности приложенного напряжения, отпадает необходимость в мощном двуполупериодном выпрямителе. Это позволяет упростить конструкцию автомата и уменьшить его габариты. Предлагаемое устройство рассчитано на управление источниками света общей мощностью до 400 Вт.
Фотореле (рис.1) состоит из датчика освещенности (R1), порогового устройства, выполненного по схеме триггера Шмитта (VT1, VT2), и коммутирующего элемента (VS1). Фоторезистор R1 вместе с резисторами R2 и R3 образуют делитель напряжения, который определяет ток базы транзистора VT1. В дневное время суток, когда фоторезистор освещен, его сопротивление сравнительно невелико, поэтому транзистор VT1 открыт и насыщен, а VT2 закрыт. Коллекторный ток транзистора VT2, а следовательно, и ток управляющего электрода симистора практически равны нулю. Симистор, таким образом, закрыт, и ток через нагрузку не протекает.
С уменьшением освещенности сопротивление фоторезистора возрастает, и ток базы транзистора VT1 начинает уменьшаться. При достижении определенного значения транзистор VT1 выходит из насыщения и начинает закрываться. Увеличивающееся падение напряжения на резисторе R7 ускоряет закрывание транзистора VT1 и открывание VT2. Ток управляющего электрода симистора, протекающий через открытый транзистор VT2 и резисторы R6, R7, поддерживает симистор открытым на протяжении обоих полупериодов сетевого напряжения. Следовательно, лампы сразу начинают светить в полный накал. Процесс выключения фотореле происходит в обратном порядке. Порог срабатывания фотореле устанавливают переменным резистором R2, а резистор R3 служит для ограничения тока делителя при попадании на фотоприемник прямых солнечных лучей. Резистор R6 определяет ток управляющего электрода симистора, который при открытом транзисторе VT2 должен быть больше тока включения симистора, но меньше допустимого коллекторного тока транзистора VT2. Резистор R5 уравнивает напряжение на управляющем электроде и катоде симистора, когда транзистор VT2 закрыт. Это обеспечивает надежное выключение симистора и помехоустойчивость фотореле в целом.
В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроечный — СП2-3. Конденсатор С1 — любой малогабаритный, С2—МБГО-2. Транзисторы VT1 и VТ2—КТ315Г или КТ315Е с коэффициентом передачи тока не менее 60.
Устройство собрано в круглой пластмассовой разветвительной коробке, предназначенной для наружной проводки. Все элементы смонтированы на круглой печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж платы и расположение деталей на ней изображены на рис. 2. Резистор R5 распаян непосредственно на выводах симистора, а резистор R6 — между выводом управляющего электрода и платой. Катоды стабилитрона VD1 и симистора соединены между собой и с платой навесным проводником. Резьбовые выводы анода этих деталей необходимо укоротить так, чтобы они не выступали за пределы крепежных гаек. Фоторезистор своими выводами вставляют во впаянные в плату трубчатые стойки высотой 25 мм так, что под ним освобождается место для монтажа других деталей. В качестве стоек использованы гнезда соответствующего диаметра от штыревого разъема.
Провода сети и цепи нагрузки крепят в винтовых зажимах, подобных тем, что используют в телефонных аппаратах. Зажимы впаивают в плату в четырех точках каждый. Распределительную коробку следует выбрать со светлой полупрозрачной крышкой, чтобы не вырезать специального окна для фоторезистора.
Устройство, собранное безошибочно и из элементов с указанными на схеме типономиналами, в налаживании не нуждается, необходимо только установить порог срабатывания. Монтируют фотореле в таком месте, чтобы свет от ламп, которыми оно управляет, не попадал на фотоприемник. Во избежание попадания в коробку воды и посторонних предметов входной патрубок ее должен быть направлен вниз, а крышку после установки герметизируют водостойким лаком или клеем.
Необходимо помнить, что все элементы устройства находятся под напряжением сети, поэтому при ремонте и регулировке следует строго соблюдать правила техники безопасности.
А. ИВАЩЕНКО, Н. КОТЕЛЕНЕЦ г. Чернигов
ЛИТЕРАТУРА
1. Македон В. Автомат включения освещения. - Радио, 1974, № 9, с. 53.
2. Боровский В. П„ Костенко В. И., Михайленко В. М., Партала О. Н. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя.— К.: Техника, 1987, с. 113
005_1.gif
005_2.gif
6. Антенный усилитель ДМВ
Антенный усилитель ДМВ
В последнее время большое распространение получило вещание телевидения на ДМВ. Однако из-за малых мощностей ретрансляторов, специфики распространения ДМВ и низкой чувствительности телевизоров зоны уверенного приема телесигналов небольшие. Приходится применять сложные антенны с большим усилением и малошумящие антенные усилители. Предлагаемый антенный усилитель несложен по конструкции, прост в наладке и имеет следующие параметры:
Полоса усиливаемых частот, . . . . 470...790 МГц Неравномерность АЧХ, . . . . . . . 3 Дб Коэффициент усиления,. . . . . . . 12 Дб Входное сопротивление. . . . . . . 75 Ом Выходное сопротивление . . . . . . 75 Ом Напряжение питания,. . . . . . . . 12 B Потребляемый ток, . . . . . . . . 12 mA
Входная цепь (рис. 1), выполненная в виде Т-образного фильтра верхних частот и состоящая из элементов Cl, C2, L1 и L2, обеспечивает согласование усилителя с антенной. Два каскада усиления собраны по схеме с общим эмиттером. Стабилизация режимов транзисторов по постоянному току осуществляется с помощью отрицательных обратных связей через резисторы R1 и R4. Такая схема стабилизации позволяет непосредственно заземлить эмиттерные выводы транзисторов, что обеспечивает высокий устойчивый коэффициент усиления каскадов. Малые сопротивления резисторов нагрузок каскадов исключают возможность возбуждения усилителя на низких частотах. Питание усилителя осуществляется по сигнальному кабелю напряжением +12В от СКД телевизора, согласно рис. 2. Дроссель L3 и конденсатор С7 предназначены для разделения постоянного напряжения и высокочастотного сигнала. В усилителе постоянное напряжение через резистор R6 питает его каскады, а высокочастотный сигнал через конденсатор С6 подается в кабель снижения.
Усилитель смонтирован на плате размерами 60x37мм, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм. Транзисторы вставлены в отверстия диаметром 6мм, просверленные в плате, а монтаж выполнен на опорных точках, вырезанных резаком в фольге (рис. 3). Катушка L1, конденсаторы С1, С6 и резистор R6 подпаиваются одним концом непосредственно к центральной жиле кабеля. Экранирующий корпус изготавливают из меди толщиной 0,2...0,4 мм. Плата подпаивается в нескольких точках к стенкам корпуса. Экранирующие оплетки кабелей припаиваются непосредственно к корпусу. Вход и выход кабелей из корпуса дополнительно герметизируется клеем “суперцемент” или аналогичным, водостойким.
Фильтр разделения напряжения питания и высокочастотного сигнала конструктивно следует собрать в отдельном медном корпусе (рис. 4). С одной стороны на корпусе укреплено гнездо для подключения кабеля снижения антенны, а с другой — штекер для подключения непосредственно к гнезду антенного входа телевизора. Опорную точку для подведения напряжения питания можно изготовить из стеклянного изолятора выводов бумажного конденсатора МБГЧ-1 или аналогичного.
В усилителе могут быть применены резисторы МЛТ-0,125, МЛТ-0,25, конденсаторы КМ, КД, КПК-МН, транзисторы ГТ329, ГТ341, ГТ361, КТ372, дроссель L3 - ДМ 0,1-10 или же двадцать витков провода ПЭЛШО-0,1 намотанных на стержне Ф600 2,74Х12,7 мм. Катушки L1 и L2 бескаркасные, L1 имеет 10 витков провода ПЭЛ-0,5, а L2 — 2 витка провода ПЭЛ-0,8, намотка рядовая, на оправке диаметром 5 мм.
Настройка антенного усилителя не вызывает затруднений. Подбором резисторов R1 и R4 устанавливают токи транзисторов VT1 и VT2 соответственно 3 и 5 мА. Конденсатор С2 подстраивают по наилучшему качеству изображения. После настройки усилителя на корпус надевается крышка из меди и пропаивается по всему периметру. Усилитель необходимо установить в непосредственной близости от антенны.
А. Шевченко
Литература:
Жутяев С. Г. Любительская УКВ радиостанция.— М.: Радио и связь, 1981.
006_1.gif
006_2.gif
006_3.gif
006_4.gif
7. Реле времени
Реле времени
При эксплуатации различных электрических устройств, питающихся от сети переменного тока, весьма полезно предусмотреть их автоматическое выключение с помощью реле времени. Это исключает лишний расход электроэнергии и уменьшает вероятность возникновения пожара, если включенное устройство осталось без присмотра.
Описываемое реле времени отличается от известных наличием в нем положительной обратной связи во времязадающем узле, способствующей быстрому выключению устройства даже при больших выдержках времени, что особенно необходимо для трансформаторных блоков питания аппаратуры. Рассчитано на подключение к нему потребителей электроэнергии мощностью не более 1000 Вт. В исходном состоянии потребляет мощность около 1 Вт и позволяет устанавливать выдержку времени на выключение в пределах 0...30 мин. Бесконтактное выключение повышает надежность и долговечность конструкции, а отсутствие блока питания снижает ее массу и размеры.
Схема реле времени показана на рис. 1. Оно содержит выпрямительный мост на диодах VD1 - VD4, тринистор VS1, электронный ключ VT1 и времязадающий узел на транзисторах VT2 - VT4. В исходном состоянии, пока кнопка SB1 не нажата, конденсатор С1 разряжен, транзисторы VT2 - VT4 открыты, транзистор VT1 и тринистор VS1 закрыты. В это время через нагрузочное устройство Rн, подключенное к разъему ХР1, ток не протекает. При нажатии на кнопку SB1 через резистор R5 и р-п переходы транзисторов VT2, VT3 заряжается конденсатор С1 до напряжения стабилизации стабилитрона VD6. При этом транзисторы VT1 - VT4 и тринистор VS1 находятся в исходном состоянии. После отпускания кнопки вывод положительной обкладки конденсатора вновь соединяется с общим проводом реле времени и на затворе полевого транзистора VT2 возникает отрицательное напряжение. Транзистор VT2 при этом закрывается и закрывает транзисторы VT3 и VT4. Одновременно током, протекающим через резистор R3, открывается транзистор VT1, который коллекторным током открывает тринистор VS1. При открытом транзисторе VT1 тринистор открывается в начале каждого полупериода сетевого напряжения, пропуская номинальный ток через подключенное устройство. После разрядки конденсатора С1 (через резистор R8) до напряжения 5В, соответствующего напряжению отсечки транзистора VT2, этот транзистор приоткрывается, что приводит к открыванию транзисторов VT3 и VT4, образующих для транзистора VT2 положительную обратную связь. Теперь конденсатор С1 быстро разряжается через малое сопротивление открытого транзистора VT4 и резистор R7, в результате транзистор VT2 полностью открывается. При этом транзистор VT1 и тринистор закрываются, а нагрузочное устройство Rн обесточивается - реле времени устанавливается в исходное состояние.
Диод VD5 улучшает режим закрывания транзистора VT1 и, кроме того, позволяет использовать полевой транзистор VT2 с меньшим током стока, например КП307.
С конденсатором С1 емкостью 1000мкФ выдержку времени на выключение можно увеличить до 60 мин.
В описываемом устройстве пригодны тиристоры, рассчитанные на прямое максимальное напряжение не менее 400В и прямой ток не менее 5А. Если реле времени рассчитывают на подключение нагрузки более 200Вт, то для тринистора и диодов выпрямительного моста следует предусмотреть радиаторы, позволяющие рассеивать выделяемую мощность этими полупроводниковыми приборами без их перегрева. Статический коэффициент передачи тока биполярных транзисторов должен быть не менее 50. Транзистор VT1 может быть КТ940А, а полевой транзистор VT2 - КП302Б. Конденсатор времязадающего узла желательно применить с малым током утечки, например К52-2, К52-1, ЭТО-2.
При правильном монтаже (рис.2) и использовании заведомо исправных деталей реле времени налаживания не требует.
Н. Дробница
007_1.gif
007_2.gif
8. Блок питания. Расчет трансформатора
Расчет трансформатора
Зная необходимое напряжение на вторичной обмотке (U2) и максимальный ток нагрузки (Iн), трансформатор рассчитывают в такой последовательности.
1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:
I2 = 1,5 Iн,
где: I2 - ток через обмотку II трансформатора, А;
Iн - максимальный ток нагрузки, А.
2. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:
P2 = U2 I2,
где: P2 - максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт;
U2 - напряжение на вторичной обмотке, В;
I2 - максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.
3. Подсчитывают мощность трансформатора:
Pтр = 1,25 P2,
где: Pтр - мощность трансформатора, Вт;
P2 - максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.
Если трансформатор должен иметь несколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансформатора.
4. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:
I1 = Pтр / U1,
где: I1 - ток через обмотку I, А;
Ртр - подсчитанная мощность трансформатора, Вт;
U1 - напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).
5. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода:
S = 1,3 Pтр,
где: S - сечение сердечника магнитопровода, см2;
Ртр - мощность трансформатора, Вт.
6. Определяют число витков первичной (сетевой) обмотки:
w1 = 50 U1 / S,
где: w1 - число витков обмотки;
U1 - напряжение на первичной обмотке, В;
S - сечение сердечника магнитопровода, см2.
7. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:
w2 = 55 U2 / S,
где: w2 - число витков вторичной обмотки;
U2 - напряжение на вторичной обмотке, В;
S-сечение сердечника магнитопровода, см2.
8. Определяют диаметры проводов обмоток трансформатора:
d = 0,02 I,
где: d-диаметр провода, мм;
I-ток через обмотку, мА.
Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.
| Iобм, ma | £ 25 | 25 … 60 | 60 … 100 | 100 … 160 | 160 … 250 | 250 … 400 | 400 … 700 | 700 … 1000 |
| d, мм | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению каркаса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли провод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно подсчитанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 - получится необходимая площадь окна, выраженная в мм2. Если в подобранных пластинах она больше или равна вычисленной, железо можно использовать для трансформатора.
При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сердечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1...2.
В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформаторы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпрямителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет получить на нагрузке вполне определенные напряжения в зависимости от потребляемого ею тока. Эти параметры сведены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.
| Трансформатор | Выпрямленное напряжение при токе нагрузки, А | ||||
| 0 | 0,3 | 0,5 | 0,8 | 1,0 | |
ТВК-70Л2 | 14 | 11,5 | 10,5 | 9 | 8 |
ТВК-110Л1 | 28 | 26 | 25 | 24 | 23 |
ТВК-110Л2, | 17 | 15 | 14 | 13,5 | 12,5 |
9. Блок питания. Расчет выпрямителя
Расчет выпрямителя
Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель - значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн).
Расчет ведут в таком порядке:
1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:
U2 = B Uн,
где: Uн - постоянное напряжение на нагрузке, В;
В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1.
| Коэффициент | Ток нагрузки,А | |||||
| 0,1 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | |
| В | 0,8 | 1,0 | 1,9 | 1,4 | 1,5 | 1,7 |
| С | 2,4 | 2,2 | 2,0 | 1,9 | 1,8 | 1,8 |
2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:
Iд = 0,5 С Iн,
где: Iд - ток через диод, А;
Iн - максимальный ток нагрузки, А;
С - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).
3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:
Uобр = 1,5 Uн,
где: Uобр - обратное напряжение, В;
Uн - напряжение на нагрузке, В.
4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.
5. Определяют емкость конденсатора фильтра:
Сф = 3200 Iн / Uн Kп,
где: Сф - емкость конденсатора фильтра, мкФ;
Iн - максимальный ток нагрузки. A;
Uн - напряжение на нагрузке, В;
Kп - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).
Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10-3...10-2, усилителей ВЧ и ПЧ - 10-4...10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей - 10-5...10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5...10 раз.
Рис. 1. Мостовая схема выпрямителя
10. Блок питания. Расчет стабилизатора
Расчет стабилизатора
Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5 и регулирующий транзистор V6. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения Uн и максимального тока нагрузки Iн. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем - выпрямитель и трансформатор питания. Расчет стабилизатора ведут в следующем порядке.
1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып) при заданном выходном (Uн):
Uвып = Uн + 3,
Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и германиевых транзисторов. Если стабилизатор будет подключаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения Uвып.
2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзистором мощность:
Рmах = 1,3 (Uвып - Uн) Iн,
3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Рmax, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором - больше Uвып, а максимально допустимый ток коллектора - больше Iн.
4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:
Iб.макс = Iн / h21Э min,
где: h21Эmin - минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора..
5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора, а значение максимального тока стабилизации превышать максимальный ток базы Iб max.
6. Подсчитывают сопротивление резистора R1:
R1 = (Uвып - Uст) / (Iб max + Iст min),
Здесь R1 - сопротивление резистора R1, Ом;
Uст - напряжение стабилизации стабилитрона, В;
Iб.max - вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА;
Iст.min - минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3...5 мА). .
7. Определяют мощность рассеяния резистора R1:
PR1 = (Uвып - Uст)2 / R1,
Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности - такое случается при больших токах потребления и использовании транзистора с малым коэффициентом h21Э. В таком случае целесообразно ввести в стабилизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в h21Э раз и применить, соответственно, маломощный стабилитрон.
В приведенных здесь расчетах отсутствует поправка на изменение сетевого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, усложняющие расчеты. Проще испытать собранный стабилизатор в действии, изменяя его входное напряжение (или сетевое) на ± 10 % и точнее подобрать резистор R1 по наибольшей стабильности выходного напряжения при максимальном токе нагрузки.
010_1.gif
010_2.gif
11. Бездроссельное питание люминесцентных ламп
Бездроссельное питание люминесцентных ламп
Как известно, люминесцентные лампы дневного света значительно экономичнее ламп накаливания. Широкое их внедрение для освещения в быту и на производстве могло бы обеспечить значительную экономию электроэнергии. Кроме того, люминесцентные лампы обладают значительно большим сроком службы по сравнению с лампами накаливания. Однако их повсеместному внедрению препятствует необходимость наличия дорогостоящего дросселя, а срок службы ламп ограничен преждевременным перегоранием нитей накала.
В изданиях для радиолюбителей неоднократно были опубликованы схемы бездроссельного питания люминесцентных ламп удвоенным и выпрямленным напряжением сети. Предлагаемая схема такого питания отличается использованием в качестве балластного сопротивления небольшой лампы накаливания типа “миньон”. Принципиальная схема питания люминесцентной лампы приведена на рис. 1. Лампа накаливания включена последовательно с выпрямителем, собранным по схеме удвоения напряжения. Использование лампы накаливания вместо балластных конденсатора или остеклованного резистора имеет большое преимущество. Конденсатор, используемый в таком случае, имеет большие емкость и габариты, сравнительно дорог, так как должен быть рассчитан на амплитудное значение напряжения сети. Резистор сильно нагревается, а в случае пробоя одного из конденсаторов С1 или С2 сгорает. Лампа накаливания в нормальном режиме горит вполнакала, а при пробое одного из конденсаторов загорается полным накалом, что сигнализирует о неисправности. Нити накала люминесцентной лампы не подогреваются, что резко увеличивает срок ее службы, а также позволяет использовать лампы с перегоревшей нитью накала, которые при обычной схеме питания приходится выбрасывать. Для облегчения поджига лампы на один конец ее баллона наклеивают кольцевой ободок из фольги, соединенный проводником с выводами противоположного конца. Частота пульсации выпрямленного напряжения составляет 100 Гц, что значительно ослабляет неприятное ощущение от мерцания светового по тока.
Налаживания схема не требует. Однако необходимо, чтобы лампа накаливания была включена в фазовый провод сети, а не в нулевой. Поэтому в тех случаях когда зажигание люминесцентной лампы происходит неуверенно, следует перевернуть вилку в сетевой розетке.
Конструктивное исполнение светильника не вызывает затруднений. Диоды и конденсаторы выпрямителя имеют малые габариты и легко размещаются в том месте, где обычно находится дроссель. Патрон для лампы накаливания можно установить в отверстие, предназначенное для установки стартера. Ободок поджига выполняется из фольги шириной 50 мм и приклеивается к баллону лампы клеем БФ-2.
По той же схеме, без изменения номиналов деталей, можно питать также и лампы ЛДЦ-30 и ЛДЦ-20 при этом лишь изменится степень накала лампы накаливания.
В.Данилов
Рис. 1. Схема подключения люминесцентных ламп
12. Питание лампы дневного света постоянным током
Питание лампы дневного света постоянным током
Наиболее часто применяемые устройства импульсного (стартерного) зажигания люминесцентных ламп обладают некоторыми существенными недостатками: неопределенным временем зажигания, перегрузкой электродов лампы при ее включении, повышенным уровнем радиопомех.
Как показывает практика, в стартерных устройствах (упрощенная схема одного из них приведена на рис. 1) наибольшему нагреву подвергаются участки нитей накала, к которым подводится сетевое напряжение. Здесь зачастую нить перегорает.
Более перспективны - безстартерные устройства зажигания, где нити накала по своему прямому назначению не используются, а выполняют роль электродов газоразрядной лампы - на них подается напряжение, необходимое для поджига газа в лампе.
Вот, к примеру, устройство, рассчитанное на питание лампы мощностью до 40 Вт (рис. 2). Работает оно так. Сетевое напряжение подается через дроссель L1 на мостовой выпрямитель VD3. В один из полупериодов сетевого напряжения конденсатор С2 заряжается через стабилитрон VD1, а конденсатор СЗ - через стабилитрон VD2. В течение следующего полупериода напряжение сети суммируется с напряжением на этих конденсаторах, в результате чего лампа ЕL1 зажигается. После этого указанные конденсаторы быстро разряжаются через стабилитроны и диоды моста и в дальнейшем не оказывают влияния на работу устройства, поскольку не в состоянии заряжаться - ведь амплитудное напряжение сети меньше суммарного напряжения стабилизации стабилитронов и падения напряжения на лампе.
Резистор R1 снимает остаточное напряжение на электродах лампы после выключения устройства, что необходимо для безопасной замены лампы. Конденсатор C1 компенсирует реактивную мощность.
В этом и последующих устройствах пары контактов разъема каждой нити накала можно соединить вместе и подключить к "своей" цепи - тогда в светильнике будет работать даже лампа с перегоревшими нитями.
Схема другого варианта устройства, рассчитанного на питание люминесцентной лампы мощностью более 40 Вт, приведена на рис. 3. Здесь мостовой выпрямитель выполнен на диодах VD1-VD4. А "пусковые" конденсаторы C2, C3 заряжаются через терморезисторы R1, R2 с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Причем в один полупериод заряжается конденсатор С2 (через терморезистор R1 и диод VDЗ), а в другой - СЗ (через терморезистор R2 и диод VD4). Терморезисторы ограничивают ток зарядки конденсаторов. Поскольку конденсаторы включены последовательно, напряжение на лампе EL1 достаточно для ее зажигания.
Если терморезисторы будут в тепловом контакте с диодами моста, их сопротивление при нагревании диодов возрастет, что понизит ток зарядки.
Дроссель, служащий балластным сопротивлением, не обязателен в рассматриваемых устройствах питания и может быть заменен лампой накаливания, как это показано на рис. 4. При включении устройства в сеть происходит разогрев лампы EL1 и терморезистора R1. Переменное напряжение на входе диодного моста VD3 возрастает. Конденсаторы С1 и С2 заряжаются через резисторы R2, R3. Когда суммарное напряжение на них достигнет напряжения зажигания лампы EL2, произойдет быстрая разрядка конденсаторов - этому способствуют диоды VD1,VD2.
Дополнив обычный светильник с лампой накаливания данным устройством с люминесцентной лампой, можно улучшить общее или местное освещение. Для лампы EL2 мощностью 20 Вт EL1 должна быть мощностью 75 или 100 Вт, если же EL2 применена мощностью 80 Вт, EL1 следует взять мощностью 200 или 250 Вт. В последнем варианте допустимо изъять из устройства зарядно-разрядные цепи из резисторов R2, R3 и диодов VD1, VD2.
Несколько лучший вариант питания мощной люминесцентной лампы - использовать устройство с учетверением выпрямленного напряжения, схема которого приведена на рис. 5. Некоторым усовершенствованием устройства, повышающим надежность его работы, можно считать добавление терморезистора, подключенного параллельно входу диодного моста (между точками 1, 2 узла У1). Он обеспечит более плавное увеличение напряжения на деталях выпрямителя-умножителя, а также демпфирование колебательного процесса в системе, содержащей реактивные элементы (дроссель и конденсаторы), а значит, снижение помех, проникающих в сеть.
В рассмотренных устройствах используются диодные мосты КЦ405А или КЦ402А, а также выпрямительные диоды КД243Г-КД243Ж или другие, рассчитанные на ток до 1 А и обратное напряжение 400 В. Каждый стабилитрон может быть заменен несколькими последовательно соединенными с меньшим напряжением стабилизации. Конденсатор, шунтирующий сеть, желательно применить неполярный типа МБГЧ, остальные конденсаторы - МБМ, К42У-2, К73-16. Конденсаторы рекомендуется зашунтировать резисторами сопротивлением 1 МОм мощностью 0,5 Вт. Дроссель должен соответствовать мощности используемой люминесцентной лампы (1УБИ20 - для лампы мощностью 20 Вт, 1УБИ40 - 40 Вт, 1УБИ80-80ВТ). Вместо одной лампы мощностью 40 Вт допустимо включить последовательно две по 20 Вт.
Часть деталей узла монтируют на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, на которой оставлены площадки для подпайки выводов деталей и соединительных лепестков для подключения узла к цепям светильника. После установки узла в корпус подходящих габаритов его заливают эпоксидным компаундом.
А. КАВЫЕВ, г. Уфа
012_1.gif
012_2.gif
012_3.gif
012_4.gif
012_5.gif
13. Дистанционный выключатель электроприборов
Дистанционный выключатель электроприборов
Иногда возникает необходимость в дистанционном выключателе различных электроприборов, причем сам выключатель должен иметь надежную гальваническую развязку от сети, т.е. быть безопасным. Подобные требования справедливы, скажем, при управлении осветительными лампами в помещениях с повышенной влажностью. Применение в этих условиях электромагнитных реле нежелательно из-за их низкой надежности.
Выход из положения - предлагаемый электронный выключатель (см. схему). В нем использован симметричный тиристор - симистор, что позволило коммутировать переменное напряжение, не применяя выпрямительные диоды, необходимые для тиристорных устройств. Управляют работой симистора выключателем SA1 через маломощный трансформатор T1. При этом используется свойство симистора открываться при подаче на его управляющий электрод напряжения той же полярности, что и на аноде. Вот почему обмотка I трансформатора включена между анодом и управляющим электродом.
Если контакты выключателя разомкнуты, через обмотку I протекает небольшой ток холостого хода. Напряжения на резисторе R1 недостаточно для открывания симистора, нагрузка - осветительная лампа EL1 - обесточена.
Когда контакты выключателя замыкают, обмотка II оказывается в режиме короткого замыкания. При этом ток в обмотке I резко возрастает, а значит, увеличивается падение напряжения на резисторе. Симистор будет открываться в начале каждого полупериода сетевого напряжения, нагрузка окажется под током.
Трансформатор в таком режиме перегружаться не будет, поскольку после открывания симистора напряжение на нем уменьшается до 2 В и в обмотке II протекает незначительный ток.
В устройстве желательно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 8...10 В при протекании через первичную тока 0,2...0,4 А. Ток холостого хода не должен превышать 10 мА. Подобный трансформатор можно позаимствовать из сетевого адаптера, применяемого для питания плейеров, микрокалькуляторов, транзисторных радиоприемников. Предпочтительнее использовать трансформатор с обмотками, намотанными в разных секциях каркаса, - это повысит электробезопасность устройства.
Симистор может быть, кроме указанного на схеме, КУ208В. Если мощность нагрузки не превышает 250 Вт, теплоотвод не понадобится, при большей мощности симистор придется установить на теплоотвод. Максимальная мощность нагрузки не должна превышать 1,1 кВт. Подстроечный резистор - СПО, СП4 или другой. Им устанавливают режим надежного открывания симистора.
Симистор, трансформатор и резистор допустимо располагать на удалении нескольких метров от помещения, в котором установлены выключатель и нагрузка (например, осветительные лампы). Для удобства управления нагрузкой можно подключить параллельно вторичной обмотке трансформатора несколько выключателей.
И. НЕЧАЕВ, г. Курск
013_1.gif
14. Методика проверки трансформаторов
Методика проверки трансформаторов
Способ 1
Частотный диапазон "прогонки":
Трансформаторов питания НЧ: 40 — 60 Гц.
Трансформаторов питания импульсного блока питания: 8 — 40 кГц.
Трансформаторов разделительных, ТДКС: 13 — 17 кГц.
Трансформаторов разделительных, ТДКС мониторов (для ПЭВМ):
CGA: 13— 17 кГц.
EGA: 13—25 кГц.
VGA: 25 — 50 кГц.
Если взять импульсный трансформатор питания, например разделительный трансформатор строчной развертки, подключить его согласно рис. 1, подать на I обмотку U=5…10В f=l0…100 кГц синусоиду через С=0,1…1,0 мкф, то на II обмотке с помощью осциллографа наблюдаем форму выходного напряжения.
Рис. 1. Схема подключения для способа 1
"Прогнав" на частотах от 10 кГц до 100 кГц генератор ЗЧ, нужно, чтобы на каком-то участке Вы получили чистую синусоиду (рис. 2. слева) без выбросов и "горбов" (рис. 2. в центре). Наличие эпюр во всем диапазоне (рис. 2. справа) говорит о межвитковых замыканиях в обмотках и т.д. и т.п. Данная методика с определенной степенью вероятности позволяет отбраковывать трансформаторы питания, различные разделительные трансформаторы, частично строчные трансформаторы. Важно лишь подобрать частотный диапазон.
Рис. 2. Формы наблюдаемых сигналов
Способ 2
Необходимое оборудование:
Генератор НЧ.
Осциллограф.
Принцип работы:
Принцип работы основан на явлении резонанса. Увеличение (от 2-х раз и выше) амплитуды колебаний с генератора НЧ указывает, что частота внешнего генератора соответствует частоте внутренних колебаний LC-контура.
Для проверки закоротите обмотку II трансформатора. Колебания в контуре LC исчезнут. Из этого следует, что короткозамкнутые витки срывают резонансные явления в LC контуре, чего мы и добивались. Наличие короткозамкнутых витков в катушке также приведет к невозможности наблюдать резонансные явления в LC контуре.
Рис. 3. Схема подключения для способа 2
Добавим, что для проверки импульсных трансформаторов блоков питания конденсатор С имел номинал 0,01 мкф — 1 мкФ, Частота генерации подбирается опытным путем.
Способ 3.
Необходимое оборудование:
Генератор НЧ.
Осциллограф.
Принцип работы:
Принцип работы тот же, что и во втором случае, только используется вариант последовательного колебательного контура.
Рис. 4. Схема подключения для способа 3
Отсутствие (срыв) колебаний (достаточно резкий) при изменении частоты генератора НЧ указывает на резонанс контура LC. Все остальное, как и во втором способе, не приводит к резкому срыву колебаний на контрольном устройстве (осциллограф, милливольтметр переменного тока).
014a.gif
014b.gif
014c.gif
014d.gif
4. Раздел 4.
Раздел 4.
Обучение электронного техника не будет полным без приобретения определенных практических навыков использования реальных электронных компонентов, цепей и оборудования. В своей работе в качестве техника Вы будете создавать, тестировать, измерять, обслуживать, ремонтировать, регулировать, монтировать, поддерживать в исправном состоянии, эксплуатировать электронное оборудование и выполнять иные работы. Работа в классах обучения обеспечивает теоретическую базу для понимания оборудования. Лабораторная работа дает опыт в применении теории к аппаратным средствам.
Данное руководство к лабораторным работам содержит ряд экспериментов, которые демонстрируют возможности, содержат процедуры тестирования и измерения и предусматривают прочие действия, которые позволяют на практике проверить и убедиться в правильности теории, изученной Вами в классах. Эксперименты помогут Вам ознакомиться с существенными подробностями в идентификации компонентов, конструкции схем, тестировании схем и в методах измерений при помощи контрольных инструментов, которые Вы будете использовать в своей деятельности.
Данное руководство предназначено для использования почти с любым современным учебником для техников, содержащим основы теории элект
роники и анализ цепей постоянного и переменного тока. В каждом эксперименте представлены учебные цели и вводная часть, в которой указаны те основы, которые Вы изучите в эксперименте. Процедура шаг за шагом проводит ознакомление с процессом создания, демонстрации, анализа и тестирования первичных электронных схем, из которых компонуется вся электронная аппаратура. Вы будете выполнять расчеты, осуществлять измерения и делать заключения в отношении каждой схемы. Раздел каждого эксперимента заканчивается обзорными вопросами, позволяющими Вам лучше запомнить ключевые моменты.
Надеюсь, что Вам доставят удовольствие эксперименты, приведенные в данном руководстве. Проделав их, Вы узнаете много полезного о практической стороне электроники, что обеспечит, в конце концов, успех в работе.
1. Проведение экспериментов
Проведение экспериментов
Для отработки экспериментов, представленных в данном руководстве, Вам потребуются электронные компоненты для конструирования схем, определенная методика соединения компонентов между собой, а также контрольные электронные приборы для осуществления, Ваших измерений. Ниже приводится краткое описание всего необходимого для экспериментов.
Компоненты
Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие детали, требуемые для экспериментов, доступны для Вас в учебной лаборатории. Список деталей и аппаратуры, которые Вам потребуются, представлен в разделе «Необходимые принадлежности» каждого приведенного эксперимента. Указанный список подкрепляется принципиальными схемами экспериментальных цепей, конкретно отражающими потребность в деталях.
Система макетирования
Вам потребуется некоторый способ, чтобы выполнять соединения компонентов между собой. Это обычно осуществляется при помощи системы макетирования. Эта часть оборудования часто называется также тренером или макетирующим устройством. Основной отличительной чертой системы является макетная панель, которая
представляет собой набор металлических соединительных элементов в корпусе из пластика и обеспечивает быстрый, легкий и удобный способ соединения электронных деталей и проводов без всякой пайки. Контактные выводы компонентов вставляются в не требующие пайки соединительные элементы. Ваш инструктор даст Вам пояснения по поводу макетной системы, используемой Вашей школой.
Контрольное оборудование
Для выполнения экспериментов Вам потребуется также определенное контрольное оборудование. Основными элементами такого оборудования являются:
* Цифровой мультиметр (универсальный измерительный прибор)
* Осциллограф
* Генератор функции
* Источник питания
Упомянутые устройства описываются ниже.
Цифровой мультиметр. Цифровой мультиметр является прибором, используемым для измерения напряжений, сопротивлений и токов. Мультиметр подключается к схеме при помощи двух испытательных выводов и выводит измеренное значение на семисегментное цифровое устройство индикации — жидкокристаллическое или на светоизлучающих диодах. Может использоваться и аналоговый мультиметр, который называется также вольтомметром, имеющий шкалу с указателем, хотя точность показании такого прибора хуже, чем у цифрового мультиметра.
Осциллограф.
В осциллографе используется электронно-лучевая трубка для визуализации сигналов
переменного тока. Предпочтительным является осциллограф с двумя входными каналами, позволяющий отображать одновременно два сигнала. Осциллограф дает возможность измерять напряжение, период, частоту и фазовый сдвиг.
Генератор функций. Генератор функций называется также генератором сигналов или генератором гармонических сигналов/звуковым генератором. Он генерирует напряжение синусоидальной формы переменной амплитуды и частоты. Он служит в качестве источника сигналов переменного напряжения для всех экспериментов с переменным током. Генератор функций формирует также сигналы прямоугольной и треугольной формы.
Источник питания. Источник питания может формировать изменяемое постоянное напряжение для питания схем в экспериментах. Большинство лабораторных источников питания позволяют осуществлять плавную регулировку выходного постоянного напряжения от 0 до 15—30 вольт. Многие источники питания содержат также встроенные вольтметры. Предпочтительны источники питания с двумя выходами, поскольку в некоторых экспериментах требуются источники двух независимо регулируемых постоянных напряжений для питания схем.
2. Эксперименты с постоянным током.
Эксперименты с постоянным током.
1. Ознакомление с мультиметром
ЭКСПЕРИМЕНТ 1 Ознакомление с мультиметром
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете измерять напряжение, ток и сопротивление, используя цифровой мультиметр.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Источник постоянного напряжения
* Одна батарея на 9 вольт
* Один элемент (для карманного фонарика) типоразмера АА, С или D
* Резисторы — 1/2 Вт: один резистор 1 кОм
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
В своей деятельности в качестве техника Вам придется использовать множество контрольных приборов различного типа для тестирования, измерения и обнаружения неисправностей в электронном оборудовании. Мультиметр — это прибор, который будет чаще всего использоваться Вами. Этот прибор предназначен для измерения трех следующих наиболее важных характеристик в любой электронной схеме: напряжение, ток и сопротивление. Большинство мультиметров могут измерять как постоянное, так и переменное (синусоидальное) напряжение, постоянный и переменный ток, а также
сопротивление постоянному току. Два испытательных вывода от мультиметра подключаются к схеме или ее элементу для выполнения этих измерении. Мультиметр является универсальным прибором, который Вы будете использовать практически каждый день в вашей работе. Вы будете использовать мультиметр во всех экспериментах с постоянным током в соответствии с данным руководством по лабораторной практике. Имеется два основных типа мультиметров для общего использования: аналоговый и цифровой.
Аналоговые мультиметры
В аналоговом мультиметре применяется стандартная измерительная шкала с указателем. Значение напряжения, тока или сопротивления отсчитываются от позиции указателя на измерительной шкале. Определение показаний аналогового мультиметра очень похоже на определение времени по стрелкам на часах. В случае часов Вам приходится интерполировать число секунд между маркировками минут. Точно так же при работе с аналоговым мультиметром Вы должны определять или оценивать фактическое значение путем интерполирования между маркировками напряжений, токов или сопротивлений на измерительной шкале.
Аналоговые мультиметры все еще широко используются, поскольку они недороги и надежны в работе. Их основным недостатком является то, что они имеют меньшую точность и больший разброс при измерениях. В большинстве случаев погрешность аналогового мультиметра составляет менее 2% от пределов измерения по шкале прибора, что вполне приемлемо в большинстве практических применении. Тем не менее, во многих случаях желательны более точные измерения.
Цифровые мультиметры
Цифровой мультиметр подобен аналоговому мультиметру в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на устройство десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых мультиметров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей), который похож на дисплей, используемый в цифровых электронных часах. Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучаюших диодах. В некоторых стендовых больших мультиметрах все еще используются светодиодные индикаторы.
В дополнение к удобствам, связанным с использованием десятичных дисплеев, цифровые мультиметры обеспечивают также более высокую точность измерений. Хороший цифровой мультиметр обеспечивает точность измерений от 0, 5% до 1% от фактического значения. Такие точные измерения предпочтительны при тестировании электронных схем, поскольку они дают наилучшую информацию о состояниях схем. Цифровые мультиметры имеют также более высокую разрешающую способность измерительной системы, что обеспечивает более высокоточные измерения с большим числом десятичных разрядов.
Краткое содержание
Мультиметр является измерительным прибором, который при надлежащем его использовании расскажет Вам о состоянии электронной схемы. В данном эксперименте Вы научитесь пользоваться одним из мультиметров Вы научитесь измерять постоянное напряжение, постоянный ток и сопротивление.
ПРОЦЕДУРА
1. Ознакомьтесь с мультиметром. Он должен быть аналоговым или цифровым устройством, в зависимости от того, какой тип имеется в вашей лаборатории. Остановимся на цифровом мультиметре. Исследуйте дисплеи и органы управления. Укажите конкретные особенности мультиметра в предусмотренных полях (см. ниже):
а) тип дисплея ____________________
б) выбор функции измерения (напряжение, ток, сопротивление):
при помощи кнопочных переключателей___ при помощи ползункового переключателя___ при помощи поворотного переключателя ___
в) выбор диапазона измерения:
при помощи кнопочных переключателей ___ при помощи ползункового переключателя___ при помощи поворотного переключателя ___
г) выбор типа измерения (по постоянному току или переменному току):
при помощи кнопочного переключателя ___ при помощи ползункового переключателя __ при помощи поворотного переключателя ___
2. Теперь посмотрите на испытательные выводы мультиметра. Черный вывод называется общим выводом или выводом массы. Красный вывод называется потенциальным выводом. Черный вывод вставляется в гнездо СОМ на передней панели мультиметра. Красный вывод вставляется в отверстие с маркировочными символами оммы и вольты (ft и V). Другое (другие) гнездо (гнезда) на передней панели мультиметра используется (используются) при измерении тока. Черный вывод всегда остается в гнезде СОМ, однако, красный вывод вставляется или в отверстие А, или в отверстие 10А при выполнении измерений тока соответственно до одного ампера или до 10 ампер. Сейчас вставьте красный вывод в гнездо ft/V.
3. Перед тем, как подключать испытательные выводы, в частности, когда измеряемое напряжение или ток неизвестны, желательно устанавливать мультиметр на максимально возможный предел измерений. Это позволяет предотвратить выход мультиметра из строя. Если показание при этом слишком мало, Вы можете шаг за шагом выполнять переключение на более низкие пределы измерений, чтобы получить наиболее оптимальное показание прибора. Когда же диапазон измерения измеряемой величины известен, то для получения наиболее точных значений измерения всегда выбирайте такой предел измерений, который несколько выше измеряемой величины. Например, если Вы желаете измерить напряжение 15 В, установите переключатель на предел измерений 20 В, а не на предел измерений 200 В.
Большинство мультиметров имеют следующие пределы измерений:
» напряжения: 200 мкВ, 2 мВ, 20 м В, 200 м В,
2В, 20В, 200В, 1000В » токи: 200 мкА, 2 мА, 20 мА, 200 мА, 1 А » сопротивления: 2000м, 2 кОм, 20к0м,
200 кОм, 2МОм
Если Ваш мультиметр имеет отличающиеся пределы измерений, запишите их все в только что приведенном формате.
Используя приведенные пределы измерений, укажите оптимальный предел измерения для измерения каждого из следующих электрических сигналов:
а) 120 В = выбрать предел измерения ______
б) 3 мА = выбрать предел измерения ______
в) 470 кОм = выбрать предел измерения ____
4. Чтобы научиться использовать мультиметр, Вы сейчас измерите постоянные напряжения батарей. Мультиметр, установленный для измерения напряжений, называется вольтметром. Включите мультиметр. Установите переключатель пределов измерения и переключатель функций для измерения напряжения батареи 9 В. После этого прикоснитесь пробниками к выводам батареи 9 В. Коснитесь красным выводом к положительному контакту (+) батареи, а черным выводом — к отрицательному контакту (—) батареи. Сосчитайте измеренное напряжение на дисплее прибора и запишите его в предусмотренное ниже поле.
Напряжение батареи = _______ В
5. Поменяйте между собой пробники на контактах батареи 9 В.
Коснитесь черным выводом к положительному контакту (+) батареи, а красным выводом — к отрицательному контакту (—) батареи. Сосчитайте измеренное напряжение на дисплее прибора и запишите его в предусмотренное ниже поле.
Напряжение батареи (при обращении
пробников) = _______ В
Объясните различие между двумя показаниями.
6. Теперь измерьте напряжение стандартного элемента для карманного фонаря. Вы можете использовать элемент большего размера D, меньшего размера С или миниатюрный элемент АА. Прежде чем измерять напряжение элемента, точно определите положительный и отрицательный контакты элемента. После этого измерьте напряжение, подключая пробники прибора к соответствующим контактам элемента. Используйте позицию 20 В на переключателе мультиметра. Поменяйте теперь местами пробники на контактах элемента и снова измерьте напряжение. Запишите оба показания в предусмотренных ниже полях.
Напряжение элемента = _______ В
Напряжение элемента (при обращении пробников) == _______ В
Снова объясните любые отличия, замеченные при измерениях.
7. Установите переключатель мультиметра в позицию 2 В и снова повторите измерение напряжения элемента для карманного фонаря. Запишите полученное значение напряжения. Напряжение элемента = ______ В
Объясните разницу между показаниями, полученными при измерении в диапазонах измерения 2В и 20 В.
8. Далее измерьте напряжение лабораторного источника питания. Большинство таких источников питания имеет изменяемое выходное напряжение.
Включите источник питания и подключите испытательные выводы мультиметра к выходам источника питания. Если источник питания имеет свой собственный встроенный измерительный прибор, установите выходное напряжение 30 В. Если источник питания не может формировать такое большое напряжение, установите его выходное напряжение 14 В. Если источник питания не имеет встроенного измерительного прибора, используйте Ваш мультиметр для измерения выходного напряжения. Установите мультиметр на продел измерения 200 В и измерьте выходное напряжение 30 В. Если на выходе только 14В, используйте 20-вольтовый диапазон измерений мультиметра для измерения этого напряжения. Теперь выполните переключение на следующий более низкий предел измерения (20 В в случае выходного напряжения З0В или 2 В в случае выходного напряжения 14 В). Опишите, что показывает дисплей мультиметра.
9. Теперь Вы будете использовать мультиметр для измерения сопротивлений. В данном режиме мультиметр называется омметром. Установите переключатель мультиметра в положение 2 кОм. Затем дотроньтесь пробниками до двух выводов резистора с номиналом 1 кОм (с цветовым кодом коричневый-черный-красный-золотой). Запишите показание в предусмотренное ниже поле. Значение сопротивления = _______Ом
10. Поменяйте пробники местами и снова измерьте сопротивление. Какое различие Вы заметили, если вообще заметили таковое? 11. Заметьте эффект разомкнутой или замкнутой цепи. При установке мультиметра в режим омметра он может использоваться для измерения так называемой целостности цепи. Другими словами, омметр может обнаруживать разомкнутый контур (бесконечное сопротивление) и замкнутый контур или короткое замыкание (нулевое сопротивление).
При использовании мультиметра, установленного на предел измерения 2 кОм, коснитесь измерительными выводами друг друга. Это состояние представляет собой короткое замыкание. Какое сопротивление Вы измерили при этом?
Сопротивление при коротком
замыкании =_________Ом
Теперь оставьте измерительные выводы открытыми, не касающимися друг друга или чего-нибудь иного. Это соответствует незамкнутому контуру. Что Вы при этом считываете на дисплее мультиметра? Какому сопротивлению это соответствует?
Показание мультиметра =_________
Сопротивление разомкну той цепи =__ Ом 12. Теперь Вы переходите к измерению тока. Мультиметр, используемый таким образом, превращается в амперметр. Для измерения Вам потребуется вставить красный пробник в гнездо с маркировкой А на передней панели Вашего мультиметра. Черным вывод остается соединенным с гнездом СОМ. Установите переключатель мультиметра на предел измерения 20 мА.
Для измерения тока Вы должны построить простую электрическую схему, через которую должен протекать ток. Вы сделаете это при использовании батареи 9 вольт и резистора 1 кОм. Цепь, которую Вы должны собрать, в схематическом виде представлена на рисунке 1-1. Через эту цепь будет протекать ток величиной в один миллиампер (1 мА) или 0, 001 ампера.
Рис. 1-1. Мультиметр, включенный в цепь в качестве амперметра.
Чтобы собрать цепь, соедините один вывод резистора к отрицательному контакту батареи 9 вольт. После этого коснитесь красным выводом мультиметра к положительному контакту батареи, а черным выводом к свободному выводу резистора 1 кОм. Снимите показание тока на дисплее и запишите это значение. Ток в цепи = _________ мА
Как это согласуется с Вашим расчетным значением? Объясните различия, если таковые имеются.
13. Поменяйте теперь местами пробники мультиметра и повторите шаг 12. Чем отличается новое показание? Объясните.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какой диапазон мультиметра Вы бы использовали для измерения 2, 7 В?
а) 200 мВ,
б) 2 В,
в) 20 В,
г) 200 В.
2. Какое главное преимущество в использовании наименьшего возможного диапазона для измерения электрических величин?
а) предотвращение повреждения мультиметра,
б) более высокая точность представления,
в) более высокая скорость измерения,
г) более высокая точность измерения.
3. Если в показании мультиметра имеется 1 в самой левой позиции (старший значащий разряд) на дисплее, это означает, что Вы:
а) измеряете разомкнутую цепь или бесконечное сопротивление,
б) установили слишком низкий предел измерения для измеряемой величины,
в) имеете случай а и б,
г) имеете случай, отличный и от а и от б.
4. Если при измерении напряжения на дисплее появляется отрицательный знак, это означает, что красный измерительный вывод по отношению к черному пробнику (СОМ) имеет следующую полярность:
а) отрицательную,
б) положительную.
5. Справедливо ли высказывание: Должна соблюдаться правильная полярность измерительных выводов при измерении сопротивления?
а) да,
б) нет.
Рис. 1-1. Мультиметр, включенный в цепь в качестве амперметра.
2. Цветовой код резисторов
ЭКСПЕРИМЕНТ 2 Цветовой код резисторов
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете понимать цветовой код резисторов, рассчитывать допуски резисторов и измерять сопротивления при помощи омметра.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Резисторы
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
По-видимому, наиболее распространенным электронным компонентом является резистор. Резисторы оказывают определенное противодействие протеканию тока в электронных схемах. Величина этого сопротивления выражается в омах (Ом). Один Ом определяется как величина сопротивления протеканию тока силой в один ампер, когда приложено напряжение величиной один вольт. В электронных схемах резисторы могут иметь величины от доли Ома до нескольких миллионов Ом. Большие значения сопротивления обычно выражаются в килоомах и в мегомах. Килоом — это тысяча Ом. Эта единица измерения обозначается буквой к (кОм). Резистор 10 к имеет величину сопротивления 10х1000 = 100000м. Мегом — это миллион Ом. Данная единица измерения обозначается буквой М (МОм). Следовательно, резистор 2, 2 М имеет величину сопротивления 22000000м.
Резисторы имеют стандартные величины сопротивлений. Значение сопротивления обозначается цветными полосками на корпусе резистора. Вы должны будете только посмотреть на резистор и сразу по его цветовому коду определить фактическую величину его сопротивления.
Цветовой код резисторов
Цветовой код резисторов легко изучается и используется на практике. Как только Вы запомните его, Вы быстро и легко сможете определять величины сопротивлений резисторов. Целью настоящего эксперимента является ознакомление с цветовым кодом резисторов и приобретение опыта в определении величин соответствующих сопротивлений.
Цветовой код представлен на рисунке 2-1. Первые две цветные полоски на резисторе обозначают цифровые значения. Третья цветная полоска обозначает множитель. Множитель указывает на то, сколько нулей следует добавить после двух цифровых разрядов, чтобы получить окончательную величину сопротивления в омах. Четвертая цветная полоска имеет или серебряный, или золотой цвет, располагается справа и обозначает допуск резистора. Большинство резисторов, которые используются в электронике, имеют допуск или 5%, или 10%, и это означает, что фактическая величина сопротивления может отклоняться от номинального значения, указанного цветовым кодом, на 5% или 10%.
Рис. 2-1. Цветовой код резисторов
Красный -фиолетовый -оранжевый -серебряный
Рис. 2-2. Пример цветового кода
Величины сопротивлений
Обратитесь к рисунку 2-2. Чтобы определить величину сопротивления, запишите сначала цифры, соответствующие первым двум полоскам. В нашем случае это цифры 2 и 7. Далее запишите количество нулей, указываемое третьей цветной полоской. В данном случае цвет оранжевый, который означает три нуля. Вы теперь определили фактическую величину сопротивления резистора, а именно 270000м. В обычном представлении это записывалось бы как 27 кОм, где к заменяет три нуля.
Наконец, серебряная полоска обозначает допуск 10%. Это означает, что фактическая величина сопротивления резистора может отклоняться от номинального значения, указанного цветовым кодом, на 10%. Десять процентов от 27000 ом составляет:
27000х0, 10=2700 Ом
Следовательно, величина сопротивления варьирует в диапазоне:
27000 - 2700 = 24300 Ом 27000+ 2700=29700 Ом
Таким образом, фактическое значение сопротивления будет находиться в пределах от 24300 до 29700 Ом. Вы можете проверить это, измерив сопротивление резистора при помощи мультиметра.
Резисторы обладают также номинальной мощностью. Эта величина означает, сколько тепла могут безопасно рассеивать резисторы. Резисторы с цветовой кодировкой выпускаются со стандартными номинальными мощностями 1/8, 1/4, 1/2,
1 и 2 ватта (большая часть резисторов имеет номинальную мощность 1/4 ватта). Чем больше резистор, тем больше его способность рассеивать мощность.
Краткое содержание
В данном эксперименте при использовании рисунка 2-3 Вы будете брать резисторы, которые Вам предоставит Ваш инструктор, и определять их сопротивления и допуски. Вы будете также измерять их значения при помощи Вашего мультиметра. Это обеспечит Вас достаточным начальным опытом в определении сопротивления любого резистора, предоставляемого в данной программе.
Рис. 2-3. Таблица для записи значений сопротивления резисторов
ПРОЦЕДУРА
1. Записывайте цветовой код каждого резистора, предоставляемого Вам Вашим инструктором, в левую колонку на рисунке 2-3. Не имеет значения, в каком порядке Вы будете составлять список резисторов. Обеспечивайте, тем не менее, при считывании цветового кода правильное расположение резистора, чтобы Вы правильно считывали этот код — слева направо. Чтобы правильно расположить резистор для считывания цветового кода, необходимо, чтобы золотая или серебряная полоска допуска всегда располагалась справа. Запишите все цветовые коды резисторов в таблицу на рисунке 2-3, прежде чем переходить к следующему шагу. В первом ряду на рисунке 2-3 показан формат записи с использованием примера, приведенного в вводной части данной главы.
2. Преобразуйте цветовой код в соответствующую величину сопротивления. Записывайте значения сопротивлений во вторую колонку на рисунке 2-3. Запишите все значения сопротивлений резисторов, прежде чем переходить к следующему шагу. Допуски следует записать в третью колонку.
3. Используя значения допуска, которые Вы записали в третью колонку, выполните теперь расчет диапазона отклонения от номинала для каждого резистора. То есть, определите верхние и нижние значения диапазонов сопротивлений для всех резисторов по их допуску. Запишите ваши данные в колонку 4 на рисунке 2-3.
4. Далее, используя Ваш цифровой мультиметр, измерьте значение сопротивления каждого резистора. Используйте при этом такой предел измерения для каждого резистора, который обеспечит максимальную точность значения и точность его представления. Каждое измеряемое значение для резисторов записывайте в колонку 5 на рисунке 2-3.
5. Теперь сравните фактически измеренную величину с указанным номинальным сопротивлением резистора и диапазоном допуска. Убедитесь, что измеренное значение находится внутри диапазона допуска. Если какое-либо из измеренных значений находится вне предела допуска, поставьте контрольную отметку рядом с такими резисторами.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Краткий способ выразить величину сопротивления 15000000 Ом следующий:
а) 15 кОм,
б) 1. 5 МОм,
в) 1500 кОм,
г) 15 МОм.
2. Резистор с цветовым кодом синий-серый-желтый-серебряный имеет величину:
а) 86 кОм, 5%,
б) 680 кОм, 10%,
в) 860 кОм, 5%,
г) 6, 8 МОм, 10%.
3. Каков диапазон сопротивления резистора с номиналом 2, 2 кОм, 5%?
а) 2090 — 2310 Ом,
б) 1980 — 2420 Ом,
и) 2090 — 2200 Ом,
г) 2200— 2310 Ом.
4. Каким цветом представляется на резисторах множитель 10000000?
а) зеленым,
б) синим,
в) фиолетовым,
г) серым.
5. Размер резистора отражает обычно его:
а) омическое значение,
б) допуск,
в) диапазон сопротивлений,
г) номинальную мощность.
Рис. 2-1. Цветовой код резисторов
Рис. 2-2. Пример цветового кода
Рис. 2-3. Таблица для записи значений сопротивления резисторов
3. Закон Ома
ЭКСПЕРИМЕНТ 3 Закон Ома
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать и измерять ток, напряжение и сопротивление в электрической схеме для проверки закона Ома.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 680 Ом, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
По-видимому, наиболее важным основным принципом в электротехнике является закон Ома. Этот закон отражает связь, которая существует между током, напряжением и сопротивлением в электрической или электронной цепи. Источник напряжения подключается к сопротивлению, что вызывает протекание через него тока. Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной сопротивления. Закон Ома утверждает, что на участке цепи ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Эта связь выражается простой формулой:
I=V/R
В данном выражении: I — ток в амперах, V — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах. Значение тока можно быстро вычислить использовании калькулятора. Например, какой величины ток протекает через резистор 2, 2 кОм, подключенный к источнику напряжения 6В? Ответ таков:
I = 6 В/2, 2 кОм = 6/2200 = 0, 00273 А
Это значение может быть выражено также в миллиамперах, то есть, 2, 73 мА.
Как Вы знаете, основная формула закона Ома может быть преобразована алгебраически, так что Вы сможете определять или напряжение, или сопротивление. Этими другими формулами являются:
V=IxR
R =V/I
В. Вашей работе с электроникой Вам регулярно придется использовать закон Ома; Даже в самых сложных схемах Вы будете применять это соотношение. Важно, чтобы Вы могли проделывать такие расчеты при любых условиях.
Вычисления в соответствии с законом Ома
Для выполнения расчетов в соответствии с законом Ома Вы должны знать две величины из трех. Величины тока, напряжения и сопротивления
могут быть получены различными способами. Величины сопротивлении резисторов могут определяться по их цветовому коду или фактическим измерением сопротивления резистора. Ток обычно определяется путем измерения. Величину напряжения часто бывает легко определить, поскольку напряжение подается от источника питания, выходное напряжение которого фиксированно и известно. Например, если используется батарейка для карманного фонаря, то Вы знаете, что ее напряжение составляет 1, 5 В. Все батареи элементов имеют стандартные значения выходных напряжений, как и многие источники питания. Если напряжение неизвестно, оно может быть, тем не менее, измерено.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы будете собирать некоторые простые электрические схемы и выполнять электрические измерения, в результате чего Вы сможете проводить расчеты в соответствии с законом Ома. Для конкретной схемы Вы научитесь делать расчет необходимых величин. Затем Вы будете конструировать различные схемы и контролировать их величины путем измерении.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к схеме на рисунке 3-1. При известных значениях напряжения и сопротивления рассчитайте величину протекающего в схеме тока. Запишите Ваше полученное значение в предусмотренное поле.
I = ______мА (вычисленное значение)
Рис. 3-1.
2. Соберите схему, показанную на рисунке 3-1. Используйте источник питания постоянного тока, настроенный таким образом, чтобы его выходное напряжение составляло 9 В. Для измерения тока в данной схеме Вы будете использовать мультиметр. Установите предел измерения мультиметра на соответствующее значение, которое основано на Ваших расчетах в шаге 1. Вставьте красный испытательный вывод в гнездо А мультиметра.
3. После того, как Вы собрали схему, коснитесь черным пробником к отрицательному контакту батареи или источника питания, а красным пробником прикоснитесь к неприсоединенному выводу резистора. Прочитайте показание величины тока на мультиметре. Запишите полученное значение.
I = ________мА (измеренное значение)
4. Сравните Ваше расчетное и измеренное значения. Объясните причину различий, если таковые имеются.
5. Удвойте напряжение питания, указанное на рисунке 3-1. Какое теперь новое напряжение питания схемы?
Напряжение питания = ______ вольт
6. Используя величину нового напряжения питания и прежнее сопротивление резистора, рассчитайте величину нового тока.
/ = ______мА (вычисленное значение)
7. Измерьте новый ток, подсоединяя испытательные выводы мультиметра к схеме, как описано ранее.
I =______мА (измеренное значение)
8. Сравните величины токов в шагах 1 и 6 и в шагах 3 и 7. Как изменилась величина тока, когда изменилось напряжение питания? Согласуется ли такое изменение с законом Ома? Объясните.
9. Демонтируйте схему, показанную на рисунке 3-1, и соберите схему, показанную на рисунке 3-2.
Рис. 3-2.
10. Измерьте величину тока, протекающего в схеме, используя процедуру, описанную ранее. Запишите полученное значение.
I= ________мА (измеренное значение)
1. Используя значение измеренного Вами тока, рассчитайте величину сопротивления резистора, применяя для этого закон Ома. Запишите величину сопротивления.
R = ______Ом (вычисленное значение)
12. Теперь по цветовому коду резистора определите его сопротивление и запишите найденное значение. R = _________Ом (определенное по цветовому коду)
13. Сравните значение сопротивления, вычисленное с использованием величины измеренного тока, с величиной сопротивления, определенной по цветовому коду. Объясните любой отличие.
14. Измените величину сопротивления резистора на 2, 2 кОм в схеме на рисунке 3-2.
15. Рассчитайте величину ожидаемого тока. Запишите значение.
I =_______мА (вычисленное значение)
16. Измерьте величину тока, используя процедуру, которая использовалась Вами в предыдущих шагах.
I =_______мА (измеренное значение)
17. Сравните ток, который Вы измерили в шаге 16, с током, измеренным Вами в шаге 10. Как изменился ток после изменения величины сопротивления резистора? Соответствуют л и полученные Вами результаты закону Ома? Объясните.
18. Используйте источник питания постоянного тока с варьируемым напряжением, который Вы применяли в схеме на рисунке 3-2, и резистор 2, 2 кОм. Изменяйте напряжение от 0 до 12 В шагами (дискретами) по 2 В. Измеряйте ток при каждом установленном напряжении.
19. Повторите шаг 18, используя резистор 4700м. Используя данные в шагах 18 и 19, построите графики тока в зависимости от напряжения на миллиметровой бумаге.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. К резистору 39 кОм был подключен источник питания с неизвестным напряжением. Вы измерили ток и получили величину 0, 31 мА. Приложенное напряжение должно быть порядка:
а) 12 В,
б) 28 В,
в) 57 В,
г) 126 В.
2. Уменьшение напряжения, приложенного к резистору, приводит к:
а) увеличению тока,
б) уменьшению тока,
в) сохранению той же величины тока,
г) падению величины тока до нуля.
3. Уменьшение сопротивления резистора, соединенного с источником питания, приводит к:
а) увеличению тока,
б) уменьшению тока,
в) сохранению той же величины тока,
г) падению величины тока до нуля.
4. Смотрите Ваш график, полученный в шаге 19. Скорость изменения тока по отношению к изменению напряжения:
а) больше при меньшей величине резистора,
б) больше при большей величине резистора,
в) меньше при меньшей величине резистора,
г) та же при любой величине резистора.
5. Для измерения тока при помощи мультиметра как он должен быть подключен к схеме?
а) встречно,
б) параллельно,
в) последовательно,
г) с изменением полярности испытательных выводов.
Рис. 3-1. Схема для измерения закона Ома
Рис. 3-2. Схема для измерения закона Ома (вариант 2)
4. Последовательные схемы
ЭКСПЕРИМЕНТ 4 Последовательные схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать общее сопротивление нескольких включенных последовательно резисторов и использовать закон Кирхгофа для напряжений, чтобы осуществлять расчеты и измерения для последовательных схем.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения * Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом,
один резистор 680 Ом,
один резистор 2, 2 кОм,
один резистор 4, 7 кОм,
один светоизлучающий диод (LED).
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Имеется два основных способа подключения электронных компонентов к источнику питания. При последовательном включении все компоненты подключаются концами друг к другу, образуя простую цепочку, которая соединяется с источником питания. При параллельном включении (эксперимент 5) каждый из отдельных компонентов подключается непосредственно к источнику питания. Естественно, имеются более сложные схемы, в которых используются те или иные комбинации последовательных и параллельных соединений (эксперимент 6). В данном эксперименте Вы узнаете, как выполнять последовательное включение компонентов и осуществлять различные расчеты и измерения.
Сначала познакомимся с тем, как вычислять общее сопротивление последовательной схемы. Если два или более резисторов включены последовательно, общее сопротивление комбинации равно простой сумме отдельных сопротивлений.
Типичная последовательная схема показана на рисунке 4-1. Общее сопротивление Rт равно сумме отдельных сопротивлений, то есть:
Rт=R1+ R2+ R3
При показанных значениях сопротивлений резисторов общее сопротивление равно:
Rт= 50+ 75+ 30 = 1550м
Три отдельных резистора могут быть заменены единственным резистором с номиналом 155 Ом, при этом никаких изменений в токе схемы не будет.
Падение напряжения
Когда ток протекает через последовательную схему, на каждом сопротивлении происходит падение напряжения. Па рисунке 4-1 показана последовательная схема с напряжениями, указанными для каждого сопротивления. Заметьте полярность падения напряжения на каждом резисторе.
Рис. 4-1.
Конечно, напряжение, падающее на каждом резисторе, может определяться на основании закона Ома. В данном случае общин ток схемы умножается на величину сопротивления каждого резистора для получения соответствующего падения напряжения. Например, напряжение на R2:
V2 = IR2
Исключительно важной характеристикой последовательной схемы, что надо хорошо запомнить,
является то, что сумма отдельных падений напряжения равна напряжению источника. Заметьте на рисунке 4-1, что сумма, полученная сложением напряжений на резисторах R1, R2, и R3 такая же, как и общее приложенное напряжение.
Vs= V1 + V2 + V3
Это основное соотношение известно как закон Кирхгофа для напряжений. Закон этот чрезвычайно полезен при осуществлении расчетов для последовательных схем. При использовании данного соотношения различными способами можно легко выполнять анализ и разработку последовательных схем.
Токоограничивающие резисторы
Примером использования закона Кирхгофа является расчет последовательных гасящих резисторов. Последовательный гасящий резистор — это просто резистор, соединенный последовательно с некоторым устройством с той целью, чтобы понизить напряжение, прилагаемое к данному устройству. Такой резистор называется также токоограничивающим резистором. Часто оказывается необходимым, например, включать лампу накаливания от источника высокого напряжения. Чтобы избежать повреждения устройства при перенапряжении, резистор включается последовательно с устройством, чтобы погасить излишнюю величину напряжения (см. рис. 4-2). Кроме того, может оказаться необходимым включить трехвольтовую лампочку от батареи питания 12 В. Если приложить все напряжение 12 В к лампочке, последняя перегорит. Однако при включении последовательно с лампочкой резистора с правильно выбранным
сопротивлением на резисторе создастся падение излишнего напряжения 9 вольт, тогда как для лампочки останется только 3 вольта необходимого ей напряжения. Короче говоря, резистор выбирается для ограничения тока через лампочку до максимально безопасной величины.
Рис. 4-2.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы убедитесь, что общее сопротивление последовательной схемы равно сумме отдельных сопротивлений включенных последовательно резисторов. Затем Вы проверите справедливость закона Кирхгофа для напряжении. Наконец, Вы рассчитаете последовательный гасящий резистор для светоизлучающего диода.
Рис. 4-3.
ПРОЦЕДУРА
1. Используя значения, указанные на рис. 4-3, рассчитайте общее сопротивление схемы.
Rт= _____Ом (вычисленное значение)
2. Соберите схему, показанную на рисунке 4-3.
3. Используя Ваш мультиметр, измерьте общее сопротивление схемы.
Rт= ______Ом (измеренное значение)
4. Сравните Ваши вычисленное и измеренное значения и объясните возможную разницу.
Рис. 4-4.
5. Подключите источник питания 9 В к схеме (см. рис. 4-4).
6. Используя значение общего сопротивления, которое Вы подсчитали ранее, рассчитайте и запищите ожидаемый ток в цепи при приложенном напряжении 9 В. I =_____мА
7. Теперь, используя закон Ома, вычислите и запишите напряжение, падающее на каждом резисторе.
V1= _______ В
V2 = _______ В
V3= _______ В
8. Теперь вычислите и запишите сумму отдельных падений напряжения.
Vs=v1+v2+v3___В
9. Используя Ваш мультиметр, измерьте падение напряжения на каждом резисторе. Не забывайте, что Вы измеряете напряжения постоянного тока, и Вам следует прикасаться испытательными выводами мультиметра к выводам резистора в корректном направлении, чтобы получить правильные в отношении полярности показания. Заметьте полярности для падений напряжения в схеме на рисунке 4-4. Запишите Ваши измеренные падения напряжения, а затем вычислите их сумму.
V1=_____В
V2=______В
V3=____в
Vs=______В
10. Сравните Ваши измеренные и расчетные значения для падений напряжения и общего напряжения. Равна ли сумма падений ли напряжения напряжению источника? 11. Обратитесь к рисунку 4-5. Здесь показан светоизлучающий диод, который должен запитываться от источника питания 9 В. Ваша задача определить сопротивление последовательного гасящего резистора R1. В проводящем состоянии светоизлучающего диода на нем падает напряжение приблизительно 2 В. Ток величиной 15 мА требуется для обеспечения умеренной яркости. Рассчитайте сопротивление потребного последовательного гасящего резистора. Запишите это значение сопротивления. R1= ________ Ом
Рис. 4. 5.
12. Среди имеющихся в Вашей лаборатории резисторов выберите резистор с сопротивлением, ближайшим по величине к найденному Вами. Затем соберите схему, показанную на рисунке 4-5. Обеспечьте соблюдение полярности как для подключения батареи, так и для выводов светоизлучающего диода. При этом отрицательный вывод источника питания должен быть подключен к катодному выводу светодиода (этот вывод идентифицируется плоской стороной на корпусе диода). В символе светодиода стрелка является анодом, тогда как прямая черта соответствует катоду.
13. Если Вы рассчитали и выбрали корректное сопротивление резистора, должен загореться светоизлучающий диод. Измерьте падения напряжения на резисторе R1 и на светоизлучающем диоде (LED).
V1=______В
Vled=_____В
Vs=_______В
14. Равна ли сумма падений напряжения напряжению источника питания? Сравните измеренные и рассчитанные значения. Имеются ли какие-либо отличия? Объясните разницу, если таковая имеется.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Два резистора (R1 и R2) соединены последовательно. Сопротивление R1 = 68 Ом. Общее сопротивление R = 150 Ом. Каково значение сопротивления R2?
а) 28 Ом,
б) 82 Ом,
в) 86 Ом,
г) 218 Ом.
2. В последовательной схеме падения напряжений на резисторах равны V1 = 2.5 В, V2, = 1,8 В, V3 = 3,4 В и V4 = 6, 9 В. Каково напряжение источника питания?
а) 10, 3 В,
б) 12, 1 В,
в) 12, 8 В,
г) 14, 6 В.
3. Справедливо ли высказывание: «Ток через все последовательно соединенные резисторы в схеме одинаков»?
а) да,
б) нет.
4. Лампочка напряжением 6 В потребляет ток 0, 15 А. Чтобы подключить ее к источнику питания 15В, Вам требуется последовательный гасящий резистор:
а) 33 Ом,
б) 50 Ом,
в) 60 Ом,
г) 120 Ом.
5. В последовательную цепь включены резисторы 180 Ом, 2, 7 кОм, 5, 6 кОм и 6, 8 кОм. На каком из резисторов будет наименьшее падение напряжения?
а) 180 Ом,
б) 2, 7 кОм,
в) 5, 6 кОм,
г) 6, 8 кОм.
Рис. 4-1. Последовательная схема с напряжениями, указанными для каждого сопротивления
Рис. 4-2. Токоограничивающие резисторы
Рис. 4-3. К закону Кирхгофа для напряжения.
Рис. 4-4. Расчет последовательно соединенных резисторов
Рис. 4.5. Подключение светодиода
5. Параллельные схемы
ЭКСПЕРИМЕНТ 5 Параллельные схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы, сможете рассчитать общее сопротивление нескольких включенных параллельно резисторов и проверить закон Кирхгофа для тока в параллельных схемах.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, один резистор 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
В параллельной схеме все резисторы или другие элементы подключаются непосредственно к источнику питания. На рисунке 5-1 иллюстрируется параллельная схема, в которой четыре резистора подключены непосредственно к источнику питания. Источник питания создает ток, протекающий через каждый резистор. Каждый резистор или иной схемный элемент называется при этом ветвью параллельной схемы.
Рис. 5-1.
Общий ток, потребляемый из источника питания на рисунке 5-1, представляет собой просто сумму токов, протекающих в каждой ветви параллельной схемы. В данном случае общий ток схемы равен:
Iт=I1 + I2 + I3+ I4
Это соотношение известно как закон Кирхгофа для тока в параллельной схеме. Этот закон говорит о том, что сумма токов в отдельных ветвях параллельной схемы равна общему току, потребляемому от источника питания. Закон Кирхгофа для тока позволяет легко осуществлять анализ и разработку параллельных схем.
Общий ток и токи в ветвях параллельной схемы могут вычисляться или измеряться. Тем не менее, имеются некоторые виды схем, когда один из токов в ветвях неизвестен. В подобном случае неизвестный ток в ветви может определяться путем комбинирования вычислений и измерений.
Предположим, например; что ток через R2, и на рисунке 5-1 неизвестен. Вы можете легко определить его, если алгебраически преобразуете основную формулу для отыскания I2,. Вам требуется просто вычесть все известные токи в ветвях от общего тока, чтобы получить неизвестное значение:
I2= It— I1-I3 —I4
или I2=It- (I1+I3+I4)
При измерении и/или вычислении значений неизвестный ток может быть определен.
Чтобы определить полное сопротивление двух или более резисторов, соединенных между собой параллельно, используются специальные формулы. Когда два резистора соединяются параллельно, полное сопротивление их комбинации определяется при помощи простого выражения:
Rt=R1 R2/(R1+R2)
Когда три или больше резисторов соединяются параллельно, может использоваться следующая формула:
Rt= l/(l/R1 + 1/R2 + 1/R3+...)
Хотя эта формула выглядит довольно сложной, ее относительно легко использовать, если у Вас имеется электронный калькулятор. Просто вводите значения и находите их обратные величины. Обратной величиной числа является единица, деленная на это число (1/х). Обратной величиной R1, является 1/R1. После этого все обратные величины складываются, и для нахождения значения полного сопротивления определяется обратная величина полученной суммы.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы приступаете к проверке использования формул для вычисления сопротивлении, включенных параллельно. Затем Вы проделаете расчеты и измерения для типичной параллельной схемы, чтобы проверить закон Кирхгофа для тока.
ПРОЦЕДУРА
1. Соберите схему, показанную на рисунке 5-2.
2. Используя значения, указанные на рисунке 5-2, рассчитайте полное сопротивление схемы. Rt == _________ Ом
3. Теперь используйте Ваш мультиметр, чтобы измерить полное сопротивление параллельно соединенных резисторов на рисунке 5-2. Rt = _________ Ом
Рис. 5. 2.
4. Сравните Ваши вычисленное и измеренное в шагах 2 и 3 значения и объясните возможную разницу.
5. Соберите параллельную схему, показанную на рисунке 5-3, присоединяя резистор 10 кОм параллельно к другим двум.
Рис.5.3
6. Используя приведенную выше формулу обратных величин, рассчитайте полное сопротивление параллельно включенных элементов на рисунке 5-3.
Rt = ______ Ом
Рис. 5-4.
7. Используя Ваш мультиметр, измерьте сопротивление схемы на рисунке 5-3. Rt = ______Ом
8. Сравните Ваши вычисленное и измеренное значения и объясните возможную разницу.
9. Подключите источник питания 9 В к параллельной схеме, как показано на рисунке 5-4.
10. Используя значение полного сопротивления, которое Вы вычислили в шаге 6, рассчитайте и запишите ожидаемый общий ток в схеме.
It= _______ мА.
11.Переключите Ваш мультиметр в режим измерения тока в миллиамперном диапазоне. Соедините красный измерительный вывод с гнездом А. Подключите амперметр между положительным выводом источника питания и Вашей параллельной схемой. Не забывайте соблюдать правильную полярность при подключении. Затем измерьте общий ток схемы и запишите его величину.
Iт = _____ мА
12.Отсоедините мультиметр и снова подключите общую точку схемы к положительному выводу источника питания. Затем выполняйте последовательное подключение мультиметра в каждую из параллельных резисторных ветвей и измеряйте ток, протекающий через каждую ветвь. Один из способов такого подключения показан на рисунке 5-5. Просто отсоедините один вывод резистора, ток через который Вы желаете измерить, и включите мультиметр между этим выводом резистора и отрицательным полюсом источника питания. По завершении
измерения тока через каждый резистор снова подключайте данный резистор к отрицательному полюсу источника питания, прежде чем отсоединять другой резистор. Данную процедуру используйте для измерения тока через каждый резистор и запишите все полученные значения.
I1= _______ мА
I2 = ________ мА
I3 = _____ МА
13. Теперь, используя ваши измеренные значения,
вычислите общий ток схемы. It = _____ мА
14.Сравните измеренные значения токов через резисторы со значениями, которые Вы вычислили ранее. Сравните также вычисленное и измеренное значения общего тока в схеме. Объясните возможные отличия.
Рис. 5-5.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Пять резисторов 10 кОм соединены параллельно. Общее сопротивление равно:
а) 2 кОм,
б)10 кОм,
в) 25 Ом,
г)50 кОм.
2. В параллельной схеме наибольший ток ветви имеет место через резистор:
а)с наибольшим сопротивлением,
б)с наименьшим сопротивлением.
3. В параллельной схеме полное сопротивление меньше, чем самое маленькое сопротивление отдельной ветви:
а) высказывание верно,
б) высказывание неверно.
4. Параллельная схема имеет две ветви. В одной ветви ток I1= 40 мА. Общий ток в схеме It= 128мА. Ток во второй ветви I2, равен:
а) 51 мА,
б) 68 мА,
в) 88 мА,
г) 168 мА.
5. Если удаляется один резистор из параллельной схемы из четырех резисторов, полное сопротивление схемы:
а) уменьшается до нуля,
б) остается без изменения,
в) уменьшается,
г) увеличивается.
Рис. 5.1. Пример параллельной схемы
Рис. 5.2. Схема для проверки закона Кирхгофа
Рис. 5.3 Схема для расчета обратных величин
Рис. 5.4. Схема для расчета
Рис. 5.5.
6. Комбинация последовательных и параллельных схем
ЭКСПЕРИМЕНТ 6 Комбинация последовательных и параллельных схем
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать полное сопротивление сложной схемы, состоящей из соединенных последовательно и параллельно резисторов, и определять падение напряжения на любом элементе и ток, протекающий через любой элемент схемы.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Один батарейный зажим с выводами
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 680 Ом, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, два резистора 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Большинство используемых на практике электронных схем часто представляют собой сложные комбинации из последовательных и параллельных схем. Вы должны знать, как рассчитывать нс толь
ко полное сопротивление схемы, но также величину тока через любой компонент или падение напряжения на любом. отдельном компоненте. Производство расчетов для таких цепей должно быть не более сложным, чем расчет простых последовательных и параллельных схем. Смысл этого довольно прост: любая сложная схема может быть легко и просто разбита на несколько более мелких и простых схем. При использовании методов, которые Вы изучили ранее для последовательных и параллельных схем, у Вас не будет проблем при анализе больших и более сложных схем.
Иными словами: для выполнения расчетов в сложной схеме просто смотрите на схему как на несколько небольших и простых схем. Начинайте с расчета тех схем, которые наиболее удалены от источника питания. В расчетах постепенно продвигайтесь вперед к источнику питания, комбинируя Ваши отдельные результаты. Таким образом, постепенно Вы сможете выполнить вычисление эквивалентного полного сопротивления схемы.
После того, как Вам будет уже известно полное сопротивление схемы, рассчитайте полный ток схемы, потребляемый от источника питания. Используя данную величину тока, Вы сможете вычислить падения напряжения при помощи законов Кирхгофа. Применяя законы Ома и Кирхгофа, Вы сможете определить напряжение или ток в любой точке схемы.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы соберете сложную схему, состоящую из соединенных последовательно
и параллельно резисторов. Вы рассчитаете полное сопротивление этой схемы и проверите его измерением. Затем подсчитайте величины тока и напряжения в конкретных точках схемы. И снова сверьте Ваши расчеты с данными фактических измерений.
ПРОЦЕДУРА
1. Соберите схему, показанную на рисунке 6-1, но не подключайте источник питания до тех пор, пока об этом не будет сказано. Это одна из наиболее сложных схем, которые Вам до сих приходилось собирать, так что будьте предельно внимательны. На данном этапе все еще желательным является использование макетной панели для физической компоновки резисторов с расположением элементов, по возможности наиболее близким к указанному на принципиальной схеме. Это поможет Вам быстро отыскивать каждый резистор и намного облегчит проведение различных измерений токов и напряжении. После того, как Вы завершите монтаж, снова внимательно проконтролируйте его на наличие возможных ошибок.
2. При использовании процедур, которые применялись Вами в предыдущих экспериментах, рассчитайте полное сопротивление схемы между точками А и В. Позже Вы подключите к этим точкам источник питания.
Rt= ____ Ом (расчетное значение)
3. Используя Ваш мультиметр, измерьте общее сопротивление схемы между точками А и В Вашей схемы.
Rt=______ Ом (измеренное значение)
4. Подключите источник питания 9В к схеме в точках А и В.
5. Рассчитайте ток, протекающий через резистор R5
Ir5= ______мА (расчетное значение)
6. Рассчитайте падение напряжения на резисторах R3 и Rt.
Vr3-4= ____ В (расчетное значение)
7. Используя Ваш мультиметр, измерьте ток, протекающий через резистор R5.
Рис. 6-1.
Ir5 = ______ мА (измеренное значение)
8. Измерьте напряжение на резисторах R3 и R4. Vr3-4 =_____В (измеренное значение)
9. Сравните Ваши вычисленные и измеренные значения и объясните возможную разницу в значениях.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. На рисунке 6-1 какой ток протекает через резистор R3?
а) 0,15 мА,
б) 0,32 мА,
в) 0,44 мА,
г) 0,89 мА.
2. При расчете полного сопротивления схемы, комбинирующей последовательные и параллельные цепи, начните с элементов, наиболее удаленных от источника питания:
а) высказывание справедливо,
б) высказывание несправедливо.
3. Основной причиной различия между расчетными и измеренными значениями является:
а) вариация напряжений,
б) погрешности мультиметра,
в) погрешности вычислений,
г) допуски резисторов.
4. В каком направлении происходит движение электронов через резистор R5, если источник питания подключается к точкам А и В, как показано на рисунке 6-1?
а)сверху вниз,
б) снизу вверх.
5. Какова полярность напряжения на резисторы R.2?
а)вверху +, внизу —;
б)вверху —, внизу +.
Рис. 6-1. Измерения последовательных и параллельных схем
7. Делители напряжения
ЭКСПЕРИМЕНТ 7 Делители напряжения
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитать выходное напряжение делителя напряжения с нагрузкой и без таковой, а также продемонстрировать, что потенциометр является варьируемым делителем напряжения.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Один потенциометр 10 кОм
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 220 Ом, один резистор 470 Ом, один резистор 1 к0м, один резистор 2, 2 к0м, один резистор 3, 3 к0м, один резистор 10 к0м, один резистор 100 к0м.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Делитель напряжения — это резистивная схема, выходное напряжение которой меньше, чем входное напряжение. В электронных схемах часто оказывается необходимым уменьшить уровень напряжения сигнала. Наиболее легко это можно
осуществить при помощи двухрезисторной схемы, известной как делитель напряжения. Входное напряжение прикладывается параллельно к двум резисторам, а выходное напряжение снимается с одного из этих резисторов. Сопротивления этих резисторов выбираются таким образом, чтобы выходное напряжение составляло некоторую определенную часть от входного напряжения.
Рис. 7-1.
Широко используемый делитель напряжения показан на рисунке 7-1. Вы можете использовать закон Ома для расчета выходного напряжения, если известны входное напряжение и сопротивления резисторов. Тем не менее, следующая формула ускоряет и упрощает процесс вычислений.
Vo = VsR2/(R1 + R2)
Вычисление выходного напряжения в соответствии с приведенной выше формулой предполагает, что в схеме нет нагрузки. Если параллельно
резистору R2 подключена резистивная нагрузка с конечным сопротивлением, выходное напряжение будет меньше, чем вычисленное, по формуле. Если сопротивление нагрузки приближается к сопротивлению R2, нагрузка будет отбирать все больше и больше тока из схемы. Это приведет к перераспределению падений напряжения в схеме, и выходное напряжение будет уже значительно отличаться от рассчитанного в соответствии с приведенной выше формулой напряжения.
Для определения выходного напряжения делителя при наличии нагрузки Вы можете использовать стандартные методы расчетов в соответствии с законами Ома и Кирхгофа, которые уже применялись Вами в предыдущем эксперименте, чтобы дать заключение о выходном напряжении. Во многих приложениях, тем не менее, это не является необходимым. Если сопротивление нагрузки достаточно велико в сравнении со значением R2, выходное напряжение будет почти равным напряжению, значение которого получается в соответствии с приведенной выше формулой. При этом эмпирическим правилом является: сопротивление нагрузки должно в десять или более раз превышать сопротивление R2. Чем выше значение сопротивления нагрузки по отношению к R2, тем ближе выходное напряжение будет к значению, рассчитанному в соответствии с приведенной ранее формулой.
Потенциометр
Одним из наиболее часто используемых электроэлементов является потенциометр, который фактически представляет собой варьируемый делитель напряжения. Потенциометр — это переменный резистор с тремя выводами (см. рис. 7-2). Центральный вывод соединен с подвижным контактом, который может соединяться с любой точкой резистивного элемента, позволяя гасить часть полного приложенного напряжения. Подвижный контакт может перемещаться от одного конца резистивного элемента к другому, позволяя выбирать любое значение напряжения между напряжением входного источника и нулем. Потенциометры широко используются в электронных схемах, поскольку с их помощью удается точно выполнить настройку выходного напряжения, желательного для конкретного применения.
Рис. 7-2.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы соберете и продемонстрируете резистивные делители напряжения, а также покажете изменение выходного напряжения при различных уровнях нагрузки. Вы также
продемонстрируете использование потенциометра в качестве варьируемого делителя напряжения.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к схеме делителя напряжения, показанной на рисунке 7-3. Выполните расчет выходного напряжения с нагрузкой 1 кОм и без нее.
Vo=___В (нагрузка 1 кОм)
Vo = ________ В (без нагрузки)
Рис. 7-3.
2. Соберите схему, показанную на рисунке 7-3. Не присоединяйте резистор 1 кОм. Измерьте выходное напряжение на R2. Это напряжение без нагрузки.
Vo=_______В
3. Присоедините нагрузочный резистор 1 кОм параллельно R2, как показано на рисунке 7-3. Измерьте выходное напряжение с подключенной нагрузкой. После этого отсоедините нагрузку
1 кОм и замените ее резистором 10 кОм. Снова измерьте выходное напряжение. Наконец, замените резистор 10 кОм на резистор 100 кОм. Измерьте выходное напряжение. Запишите значения выходных напряжений в таблицу.
4. Основываясь на данных, накопленных в шаге З, укажите, как варьируется выходное напряжение в зависимости от различных сопротивлений нагрузки.
5. Размонтируйте схему на рисунке 7-3. Смонтируйте потенциометр 10 кОм на Вашей макетной панели. Каждый из контактов должен входить в отверстие на отдельном вертикальном ряду отверстий макетной панели. Центральный контакт — это подвижный контакт. Затем подключите к потенциометру источник питания 9 В, как показано на рисунке 7-4. Вы будете измерять выходное напряжение между отрицательным выводом источника и подвижным контактом потенциометра.
6. Подключите Ваш мультиметр на выход потенциометра для измерения выходного напряжения (Vo). При помощи небольшой отвертки полностью выведите подвижный контакт потенциометра против часовой стрелки. Запишите
полученное выходное напряжение. Затем полностью выведите подвижный контакт потенциометра по часовой стрелке. Снова запишите полученное выходное напряжение.
Vo=___В (против часовой стрелки)
Vo=__В (по часовой стрелке)
7. Теперь контролируйте выходное напряжение потенциометра. Отрегулируйте Ваш потенциометр таким образом, чтобы выходное напряжение составляло половину входного напряжения (напряжения источника питания).
Рис. 7-4.
8. Размонтируйте схему рисунка 7-4.
9. Используя Ваш мультиметр, измерьте сопротивление между центральным выводом (подвижный контакт) и каждым из других выводов потенциометра. Запишите полученные значения. Сопротивление между центральным контактом и одним выводом = ______ Ом
Сопротивление между центральным контактом и другим выводом = ______ Ом
Объясните полученные Вами значения.
Рис. 7-5.
10. Соберите делитель напряжения, показанный на рисунке 7-5. Рассчитайте, в каком диапазоне может варьироваться выходное напряжение при использовании потенциометра.
Vo = __ В (против часовой стрелки)
Vo = _____ В (по часовой стрелке)
11.Подключите схему к источнику питания. Измеряйте теперь выходное напряжение схемы, варьируя положение подвижного контакта потенциометра по всему его диапазону. Запишите предельные значения напряжения.
Vo = __ В (против часовой стрелки) Vo = _____ В (по часовой стрелке)
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Делитель напряжения, аналогичный показанному на рисунке 7-1, имеет следующие сопротивления резисторов: R1 = 10 кОм и R2 = 1 кОм.
Источник питания дает напряжение 15В. Выходное напряжение составляет:
а) 1, 28 В,
б) 1, 36 В,
в) 1, 5 В,
г) 1, 72 В.
2. Каково минимальное значение сопротивления нагрузки, которая может подключаться к делителю напряжения из вопроса 1, чтобы выходное напряжение не снижалось значительно?
а) 100 Ом,
б) 1 кОм,
в) 10 кОм,
г) 100 кОм.
3. Варьируемый делитель напряжения — это:
а) потенциометр,
б) переменный резистор,
в) реостат,
г) варистор.
4. Постоянное напряжение 6 В приложено к потенциометру. Выходное напряжение может быть установлено на любое значение в диапазоне:
а) от —6 до+ 6 В,
б) от 0 до 6 В,
в) от 0 до 9 В,
г) от 0 до 12 В.
5. Потенциометр из вопроса 4 настроен так, чтобы гасить 85% приложенного напряжения. При этом выходное напряжение составляет:
а) 0, 9 В,
б) 2, 6 В,
в) 4, 3 В,
г) 5, 1 В.
Рис. 7-1. Делитель напряжения — это резистивная схема, выходное напряжение которой меньше, чем входное напряжение.
Рис. 7-2. Потенциометр — это переменный резистор с тремя выводами
Рис. 7-3. Расчет параметров делителя напряжения
Рис. 7-4. Схема для контроля выходного напряжения потенциометра
Рис. 7-5. Схема для измерения параметров делителя напряжения
Таблица 1. К измерениям параметров делителя напряжения
8. Мостовые схемы
ЭКСПЕРИМЕНТ 8 Мостовые схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете распознавать, собирать и уравновешивать мостовую схему.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Один потенциометр 10 кОм * Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 4, 7 кОм,
один резистор 12 кОм,
один резистор 18 кОм,
один резистор 100 кОм.
Вводная часть
Мостовая схема — это специальное соединение элементов, которое формирует выходное напряжение, сбалансированное относительно массы. Эта схема широко используется в измерительных приборах и во множестве промышленных схем, предназначенных для контроля.
Основная мостовая схема показана на рисунке 8-1А. Схема представлена в типичной ромбовидной конфигурации, чтобы ясно распознавать ее в качестве мостовой схемы. При более детальном рассмотрении Вы можете видеть, что мостовая схема — это по существу два делителя напряжения, параллельно подключенные к источнику питания. Это четко можно видеть по мостовой схеме, представленной в виде, показанном на рисунке 8-1 Б. Заметьте, что выходной сигнал снимается между двумя выходами делителей напряжения (точки А и В).
Рис. 8-1А.
Рис. 8-1 Б.
Обычно выходное напряжение делителя напряжения снимается с точки соединения двух резисторов относительно массы. В мостовой схеме выходное напряжение снимается между двумя выходами делителей напряжения, а не относительно массы. Такой тип выхода называется дифференциальным (или симметричным) выходом.
Равновесие моста
Основное нейтральное состояние в мостовой схеме называется равновесием моста. Уравновешенный мост — это такой мост, выходное напряжение которого равно нулю. Такое состояние имеет место в том случае, когда выходное напряжение одного делителя напряжения равно выходному напряжению другого делителя напряжения, относительно массы. Если ввести в мостовую схему один или больше резистивных элементов с варьируемым сопротивлением, можно легко привести мост к такому уравновешенному состоянию. Равновесие моста имеет место в том случае, если сопротивления моста связаны следующим соотношением:
R1/R2= R3/R4
Иными словами, если отношения резисторов в делителях напряжения одинаковы, мост уравновешен, и выходное напряжение равно нулю.
Мост не уравновешен, если выходное напряжение одного делителя напряжения выше или ниже выходного напряжения другого делителя напряжения. Например, если на рисунке 8-1 напряжение в точке А больше, чем напряжение в точке В,
точка А будет иметь больший положительный потенциал, чем точка В. Если возникнет такое состояние, через нагрузку потечет ток от А к В.
Если же мост нс уравновешен в другом направлении, и напряжение в точке В выше напряжения и точке А, произойдет противоположное, то есть, ток потечет через нагрузку от точки В к точке А.
Краткое содержание
В данной работе Вы соберете мостовую схему и поэкспериментируете с ней. В одном из плечей моста будет использоваться потенциометр для обеспечения различных только что описанных состояний.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к схеме на рисунке 8-2. Значения сопротивлений R1, R2 и R3, заданы. R4 —это потенциометр, подключенный в качестве переменного резистора, который может подстраиваться на любое значение между 0 и 10кОм. Используются только два из трех выводов потенциометра — центральный подвижный и один неподвижный вывод. Используя формулу, приведенную для уравновешенного моста, рассчитайте сопротивление, на которое должен быть установлен потенциометр R4, чтобы уравновесить мост. Для этого преобразуйте формулу, чтобы вычислить R4, и запишите полученное значение.
R4 = _____ Ом
2. Соберите схему, показанную на рисунке 8-2. Установите резистор R4 на середину его диапазона в качестве начальной позиции.
Рис. 8-2.
3. Включите Ваш мультиметр между точками А и В для измерения напряжения. Вы должны сосчитать на индикаторе некоторое значение напряжения. Установите на мультиметре переключатель пределов измерения в позицию для максимальной разрешающей способности.
4. Теперь регулируйте потенциометр R4 до тех пор, пока напряжение между точками А и В не станет
равным нулю. Когда Вы получите нулевое показание, переключите мультиметр на следующий более низкий предел измерения. Вы можете заметить некоторое остаточное напряжение. В данном случае продолжайте точную настройку потенциометром, пока не получите нулевого показания. Это будет уравновешенное состояние моста.
5. При уравновешенном состоянии моста измерьте напряжение в точке А по отношению к массе (в качестве которой служит отрицательный вывод источника питания) и в точке В по отношению к массе. Запишите полученные значения.
Va=_____В
Vв=_____В
6. Удалите потенциометр R4 из макетной панели. Делайте это осторожно, чтобы не нарушить настройку. После того, как Вы удалите потенциометр, измерьте его сопротивление между двумя выводами, которые Вы присоединяли к мостовой схеме. Запишите полученное значение сопротивления. R4 = ____ Ом
7. Сравните ваши расчетное и измеренное значения R4 для уравновешенного моста.
8. Снова включите потенциометр в мостовую схему. При этом Вы должны вставить выводы потенциометра в те же самые отверстия. Выполните измерение напряжения между точками А и В, чтобы убедиться в том, что оно все еще равно нулю. Если это не так, перенастройте R4 таким образом, чтобы обеспечить уравновешенное состояние моста.
9. Непрерывно контролируя напряжение между точками А и В, перемещайте движок потенциометра как в направлении по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, из положения, при котором мост уравновешен. Замечайте амплитуду и полярность напряжения во время варьирования. Запишите амплитуду и полярность напряжения в положениях максимального выведения подвижного контакта резистора R4 в направлении по часовой стрелке и против часовой стрелки. Выходное напряжение = _______ В
(макс. против часовой стрелки) Выходное напряжение =_____ В
(макс. по часовой стрелке) 10. Размонтируйте схему.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Когда мост уравновешен, выходное напряжение:
а) равно напряжению источника питания,
б)невозможно определить,
в) имеет бесконечную величину,
г) равно нулю.
2. Мостовая схема составлена из двух более простых схем следующего типа:
а) делители напряжения,
б) последовательные схемы,
в) параллельные схемы,
г) делители тока.
3. В мостовой схеме на рисунке 8-1 напряжение между точкой А и массой равно +7,5 В. Напряжение между точкой В и массой равно +4,6 В, В каком направлении будет протекать ток в нагрузке?
а) слева направо,
б) справа налево,
в) ток протекать не будет.
4. В мостовой схеме на рисунке 8-1 сопротивление R1 неизвестно, R2, = 1 кОм, R3 = 3 кОм, R4 = 8 кОм. Каким должно быть сопротивление R1 для равновесия моста?
а) 375 Ом,
б) 1,25 кОм,
в) 2,4 кОм,
г) 2,67 кОм.
5. Один выходной контакт моста соединен с массой:
а) высказывание верно,
б) высказывание неверно.
Рис. 8-1 Б. Мостовая схема — это по существу два делителя напряжения, параллельно подключенные к источнику питания.
Рис. 8-1А. Основная мостовая схема
Рис. 8-2. Пример мостовой схемы
9. Терморезисторы
ЭКСПЕРИМЕНТ 9 Терморезисторы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете оценивать функционирование схем, содержащих терморезисторы (термисторы).
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Паяльник
* Элементы:
один терморезистор 1 кОм с отрицательным температурным коэффициентом, один резистор — 1/4 Вт, 5%, 1 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Все электрические проводники чувствительны к изменениям температуры. Обычная медная проволока имеет положительный температурный коэффициент; когда она нагревается, ее сопротивление увеличивается. Тем не менее, относительный рост сопротивления очень мал. В большинстве случаев избыток тепла не оказывает значительного влияния на сопротивление.
С другой стороны, имеются типы резисторов, сопротивление которых претерпевает большие изменения при относительно небольших температурных
колебаниях. Такие устройства находят применение.
Прочие типы резисторов
Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом
Специальный резистор, разработанный для больших изменений сопротивления в зависимости от температурных флуктуаций, известен как терморезистор или термистор. Термисторы обычно имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC). Это означает, что когда температура терморезистора возрастает, сопротивление его падает, и наоборот. Даже при незначительном изменении температуры происходит значительное изменение сопротивления.
Подобные чувствительные элементы используются для создания различных элементов — от электронных термометров до детекторов — в тех или иных промышленных системах управления, в которых должен осуществляться текущий контроль (мониторинг) и/или управление температурой.
Терморезистор с положительным температурным коэффициентом
Имеются также термисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС). Эти устройства увеличивают свое сопротивление при возрастании температуры. При этом их сопротивление изменяется более резко и круто, чем у терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом.
Хорошим примером терморезистора с положительным температурным коэффициентом является нить лампы накаливания. Когда лампа накаливания выключена, нить накала имеет очень низкое значение сопротивления. Однако когда через лампу протекает ток, нить сильно накаляется и быстро нагревается до температуры белого каления. Это значительно увеличивает сопротивление нити. Например, стандартная лампа накаливания 100 Вт имеет в холодном состоянии сопротивление приблизительно 100 м. Когда же на лампу подается напряжение 120 В, нить нагревается с увеличением сопротивления до 1440м, то есть, отмечается рост сопротивления в 14, 4 раза. Характеристики лампы накаливания могут использоваться для целей регулирования в некоторых типах электрических и электронных схем.
Сверхпроводимость
Имеется исключительный случай вариации сопротивления с изменением температуры. А именно, когда температура понижается до очень низкого уровня, сопротивление падает до нуля. Некоторые материалы фактически теряют свое сопротивление, когда их температура понижается до значений, несколько больших абсолютного нуля (-273°С). Это явление известно как сверхпроводимость. Продолжающиеся исследования обнаруживают новые материалы, сопротивление которых устраняется даже при более высоких температурах, что делает их более пригодными для применения на практике.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы поработаете с терморезистором, чтобы разобраться в его термочувствительных характеристиках.
ПРОЦЕДУРА
1. Приготовьте две чашки или два стакана воды. Вы будете использовать их для изменений температуры терморезистора. Один стакан наполните очень горячей водой из-под крана. Другой стакан наполните холодной водой и добавьте в нее кубики льда.
2. Рассмотрите терморезистор. Как Вы можете видеть, это круглый диск из специального резистивного материала. Терморезистор имеет диаметр 1/4 дюйма, а к каждой стороне терморезистора припаяны проволочные выводы. Сначала возьмите терморезистор и измерьте его сопротивление при комнатной температуре при помощи Вашего мультиметра.
R = _ Ом (при комнатной температуре)
3. Закрепите измерительные выводы мультиметра на выводах терморезистора и погрузите корпус терморезистора в горячую воду. Подождите примерно 10 секунд и заметьте сопротивление. R = _____ Ом (в горячей воде)
4. Извлеките терморезистор из горячей воды и сразу же поместите его в стакан с холодной водой. Снова заметьте сопротивление через 10 секунд. R = _____ Ом (в холодной воде)
5. Основываясь на результатах, полученных в двух предыдущих шагах, запишите словами, как изменяется сопротивление в зависимости от изменений температуры.
6. Соберите схему, показанную на рисунке 9-1. Заметьте, что терморезистор подключается вместе с резистором 1 кОм как часть делителя напряжения к источнику питания 9 В. Заметьте, что
Рис. 9-1.
выходное напряжение снимается с выводов термистора. Измерьте теперь выходное напряжение при комнатной температуре.
Vo = __ В (при комнатной температуре)
7. Нагрейте паяльник и поднесите его приблизительно на расстояние 1/4 дюйма от терморезистора. Дайте ему нагревать терморезистор, а в это время следите за изменением напряжения на терморезисторе. Через 10 секунд запишите значение измеренного напряжения.
Vo = __ В (в нагретом состоянии) Дайте затем терморезистору охладиться, прежде чем Вы перейдете к шагу 8.
8. Модифицируйте схему эксперимента так, чтобы она выглядела подобно схеме, показанной на рисунке 9-2. Снова Вы используете терморезистор как часть делителя напряжения. Однако в данной схеме выходное напряжение снимается с резистора 1 кОм, а не с терморезистора.
Рис. 9. 2.
Измерьте и запишите выходное напряжение, снимаемое с резистора 1 кОм, при комнатной температуре.
Vo = __ В (при комнатной температуре)
9. Снова нагрейте паяльник и поднесите его приблизительно на расстояние 1/4 дюйма от терморезистора. Дайте ему нагревать терморезистор, а Вы в это время следите за изменением напряжения на резисторе 1 кОм в течение приблизительно 10 секунд и замечайте, как изменяется напряжение. В конце 10-секундного периода запишите значение измеренного напряжения. Vo = __ В (в нагретом состоянии)
10. Как выходное напряжение варьируется в зависимости от температуры в каждой из схем?
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Положительный температурный коэффициент означает:
а) когда температура уменьшается, уменьшается сопротивление;
б) когда температура увеличивается, увеличивается сопротивление;
в) когда температура уменьшается, сопротивление увеличивается;
г) когда температура варьируется, сопротивление изменяется.
2. В лампе накаливания сопротивление нити в горячем состоянии ниже, чем сопротивление нити в холодном состоянии:
а) высказывание верно,
б) высказывание неверно.
3. Полная потеря сопротивления при очень низких температурах известна как:
а) сверхсопротивление,
б) экстремальный температурный коэффициент,
в) сверхпроводимость,
г) холодное сопротивление.
4. Чтобы преобразовать изменение сопротивления терморезистора в вариацию напряжения, в какой тип схемы должен быть подключен терморезистор?
а) усилитель,
б) счетчик,
в) фильтр,
г) делитель напряжения.
5. Терморезисторы иногда используются в мостовых схемах:
а) высказывание верно,
б) высказывание неверно.
Рис. 9-1. Подключение терморезистора
Рис. 9.2. Модифицированная схема подключения терморезистора
10. Мощность в резистивных цепях
ЭКСПЕРИМЕНТ 10 Мощность в резистивных цепях
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете определять величину мощности, рассеиваемой на резисторе, и выражать связь между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением источника для максимальной передачи мощности.
Необходимую принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 120 Ом, один резистор 150 Ом, один резистор 220 Ом, один резистор 470 Ом, два резистора 1 кОм, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, один резистор 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Объясняя на элементарном уровне, электрическая мощность рассеивается на сопротивлении. Всякий раз, когда через сопротивление протекает ток, расходуется мощность. Эта мощность выделяется в форме тепла. При низких уровнях мощности формируется незначительное количество теплоты. Когда используются более сильные токи, рассеивается больше мощности, и генерируются более значительные уровни тепла. Вот почему многие электроэлементы нагреваются во время работы.
Большая часть электронных компонентов разрабатывается таким образом, что они могут выдерживать только определенную максимальную величину мощности. Это справедливо для резисторов, транзисторов и прочих устройств. Например, стандартные композиционные и пленочные резисторы выпускаются с номинальными значениями мощности 1/8, 1/4, 1/2, 1 и 2 Вт. Чем выше номинальная мощность резистора, тем больше его размер для обеспечения надежного рассеяния этой мощности. Таким образом, номинальная мощность резистера указывает на ту максимальную мощность, которую может надежно рассеивать данный резистор.
Разработка схем
При разработке электронных схем необходимо рассчитывать величину мощности, рассеиваемой резистором, для обеспечения того, чтобы эта мощность была ниже номинальной мощности резистора. Если этого не сделать, резистор может буквально сгореть. Для иллюстрации: для резистора мощностью 1/4 Вт значения тока и напряжения должны быть такими, чтобы полная рассеиваемая резистором мощность была меньше, чем эта номинальная мощность 1/4 Вт.
Формулы мощности
Мощность может рассчитываться при помощи трех следующих основных формул:
Выбирайте формулу, основанную на значениях тока, напряжения или сопротивления, которые Вам известны.
Передача мощности от источника питания к нагрузке
В электрических и электронных системах желательно передавать как можно больше мощности от источника питания к нагрузке. Максимальная передача мощности от генератора, батареи, источника питания или другой электронной схемы имеет место, когда нагрузка согласована с внутренним сопротивлением генератора (рис. 10-1).
На этом рисунке батарея последовательно соединена с резистором Ri, который мы будем называть внутренним сопротивлением источника Ri. Нагрузка, к которой передается мощность, обозначена как RL,. Чтобы к нагрузке передавалась максимальная мощность, сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению генератора. На рисунке 10-1 в нагрузку будет передаваться максимальная мощность, если, например, RL = 1000 Ом и Ri, = 1000 Ом.
Однако поскольку два сопротивления одинаковы, то в каждом из этих сопротивлений будет рас-
Рис.10-1.
сеиваться половина мощности. Это означает, что в случае максимальной передачи мощности как в источнике, так и в нагрузке рассеивается одна и та же величина мощности. Это соответствует эффективности лишь 50%, однако передача максимальной мощности имеет место только при таком условии.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы приступаете к рассмотрению эффекта рассеяния мощности на сопротивлении. Покажите на практике, что формируется тепло. Далее продемонстрируйте режим, при котором имеет место максимальная передача мощности.
ПРОЦЕДУРА
I. Рассмотрите простую схему, показанную на рисунке 10-2. При заданных значениях напряжения и сопротивления, показанных на рисунке, вычислите и запишите величину мощности, рассеиваемой резистором. Р =_____Вт
Рис. 10-2.
2. Соберите схему, показанную на рисунке 10-2. Через несколько секунд дотроньтесь быстро до резистора, чтобы почувствовать нагревание резистора, но будьте очень осторожны. Резистор может очень сильно нагреться. Оставьте резистор на несколько минут подключенным и заметьте эффект протекания через него тока. При условии, что большинство используемых в школьной лаборатории резисторов представляют собой элементы с мощностью 1/4 Вт, укажите, была ли превышена номинальная мощность данного резистора.
Рис. 10-3.
3. Соберите схему, показанную на рисунке 10-3. В ней резистор 1 кОм является имитацией внутреннего сопротивления генератора 9 В, представленного источником питания. В шаге 4 Вы будете подключать резисторы с различными сопротивлениями в качестве нагрузки и определять величину мощности, которая рассеивается в каждом случае.
4. В следующей таблице приведены значения сопротивлений, которые Вы будете использовать в качестве нагрузки. Начиная с самого маленького из указанных значений, подключите этот резистор к схеме, которую Вы только что собрали. Выполните измерение напряжения на сопротивлении, а затем рассчитайте величину рассеиваемой на нем мощности. Повторяйте данный шаг для каждого приведенного в таблице сопротивления и записывайте получаемые значения в таблицу.
5. Обратитесь теперь к Вашим табличным данным. Заметьте, какое сопротивление нагрузки приводит к наибольшей величине мощности рассеяния.
RL == ______ Ом
6. Как это соотносится сравнительно с внутренним сопротивлением генератора?
7. Размонтируйте схему.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Мощность, рассеиваемая на резисторе, к которому приложено напряжение 12 В и через который протекает ток 0,15 А, составляет:
а) 1,25 Вт,
б) 1,8 Вт,
в) 12,5 Вт,
г) 80 Вт.
2. Ток, протекающий через резистор 22 Ом, имеет величину ЗА. Рассеиваемая мощность имеет величину:
а) 7,3 Вт,
б) 22 Вт,
в) 66 Вт,
г) 198 Вт.
3. К резистору 4,7 кОм, 1/4 Вт приложено напряжение 40 В. При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, превышает номинальную мощность:
а) высказывание верно,
б) высказывание неверно.
4. Мощность рассеивается в виде:
а) света,
б)электрического поля,
в) тепла,
г) магнитного поля.
5. Радиопередатчик имеет выходное сопротивление 500м. Его нагрузкой служит антенна. Антенна для обеспечения максимальной выходной мощности должна иметь сопротивление:
а) 25 Ом,
б) 50 Ом,
в) 100 Ом,
г) 150 Ом.
Рис. 10-1. Максимальная передача мощности имеет место, когда нагрузка согласована с внутренним сопротивлением генератора
Рис. 10-2. К расчету мощности
Рис. 10-3. К расчету мощности
Таблица 1. К измерению параметров мощности
Ф.1 Формула расчета мощности
11. Теорема Тевенина-Гельмгольца
ЭКСПЕРИМЕНТ 11 Теорема Тевенина-Гельмгольца
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете продемонстрировать и проверить теорему Тевенина-Гельмгольца и использовать ее для анализа схем.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 1 кОм, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 3, 3 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Теорема Тевенина-Гельмгольца в значительной степени облегчает анализ и разработку электронных схем. Эта теорема позволяет Вам заменить сложную схему, включенную между источником питания и нагрузкой, единственным последовательно включенным резистором. Для примера, предположим, что Вы желаете проанализировать работу схемы, представленной на рисунке 11-1.
Постановка задачи
Конкретно Вы желаете узнать нагрузку или выходное напряжение для различных значений сопротивления нагрузки RL. Всякий раз, когда Вы изменяете RL, Вам надо найти полное сопротивление и общий ток, токи в ветвях и падения напряжения. Этот процесс несложен, но утомителен и требует затрат времени.
Рис. 11-1.
Рис. 11-2.
Решение
Используя теорему Тевенина-Гельмгольца, можно заменить всю сложную схему, включенную между источником питания и нагрузкой, единственным последовательно включенным резистором с сопротивлением, которое называется эквивалентным сопротивлением Тевенина, R . Источник питания заменяется источником питания с другим напряжением, величина которого называется эквивалентным напряжением Тевенина, Vтн (см. рис. 11-2).
В своей совокупности эквивалентное напряжение Тевенина и эквивалентное сопротивление Тевенина формируют напряжение на любой нагрузке и ток в ней с теми же значениями, которые формируются и оригинальной схемой. В результате схемный анализ становится значительно более простым, поскольку весь расчет теперь сводится к расчету простой последовательной схемы.
Шаги
Самый легкий способ для определения эквивалентов Тевенина — это их измерение в конкретной схеме. Чтобы сделать это для рисунка ll-l, удалите нагрузку и, при наличии приложенного
напряжения источника питания, измерьте напряжение между точками включения нагрузки А и В. В результате Вы получаете эквивалентное напряжение Тевенина Vтн.
Далее, при все еще удаленной нагрузке, отсоедините напряжение источника питания и замените его короткозамыкателем (перемычкой). Затем измерьте сопротивление между точками включения нагрузки А и В. В результате Вы получаете эквивалентное сопротивление Тевенина R
После этого Вы можете фактически собрать эквивалентную схему Тевенина с варьируемым источником питания, настроенным на величину напряжения Vтн, и выбрать стандартный резистор с сопротивлением ближайшим к Rтн. Теперь Вы можете подключать различные нагрузки и смотреть, как они работают.
Схемные значения
Другим методом является нахождение величин Vтн и Rтн. Ha основании схемных значений. Сначала удалите резистор нагрузки RL и рассчитайте, напряжение, которое появляется на контактах А и В. Для схемы, представленной на рисунке ll-l, при удалении RL, резисторы R4, R5 и R6 остаются открытыми. Как результат, приложенное к резисторам R2, и R3 напряжение появляется между контактами А и В.
Vтн = Vав = 12 (R2 + R3)/(R1 + R2 + R3) Vтн=Vав = 12 (8,9/10,1) = 12(0,881) = 10,6 В
Далее рассчитывается Rтн. При удаленном R источник питания 12 В заменяется короткозамыкателем. Вычисляется сопротивление между точками А и В.
R4 последовательно с соединенными параллельно резисторами R5 и R6
1,8 кОм + 0,47 кОм = 2,27 кОм
Эквивалентное сопротивление между точками А и В:
Rтн = 2,27 кОм + 1,06 кОм = 3,33 кОм
Эквивалентом Тевенина является источник постоянного напряжения 10,6 В, соединенный последовательно с сопротивлением 3,33 кОм.
Теперь при подключении к этой цепи резистора R, получается полное сопротивление:
910 + 3330 = 4240 Ом
Полный ток, протекающий через схему, имеет величину:
10,6 / 4240 = 0,0025 А = 2,5 мА
А падение напряжения на RL равно:
10,6[910/(910 + 3330)] = 10,6(910/4240) = 2,28 В
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы будете использовать процедуру, приведенную ниже.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к схеме, представленной на рисунке 11-3. Используя показанные значения, выполните расчет эквивалентного напряжения и эквивалентного сопротивления Тевенина в точках А и В. Вычислите выходное напряжение для сопротивления нагрузки 3,3 кОм.
Vтн = ____ В Rтн = ______ Ом
VL=____В
Рис. 11-3.
2. Соберите схему, показанную на рисунке ll-З. Включите питание и измерьте эквивалентное выходное напряжение Тевенина на контактах А и В без нагрузки.
Vтн (измеренное) = ______ В
3. Включите нагрузку 3,3 кОм между точками А и В. Измерьте теперь выходное напряжение. Как оно сравнивается с Вашим расчетным значением?
VL (измеренное) = ____ В
4. Выключите питание. Отсоедините источник питания. На его место включите проволочный короткозамыкатель. Отсоедините также нагрузку от контактов А и В. Затем мультиметром
измерьте эквивалентное сопротивление Тевенина на контактах А и В.
Rтн (измеренное) = ____ Ом
5. Нарисуйте эквивалентную схему Тевенина и укажите на ней значения. После этого соберите эту схему, используя источник питания и 'резистор. Используйте такой стандартный резистор, сопротивление которого ближе всего к эквивалентному.
6. Включите питание и измерьте выходное напряжение Тевенина. Отрегулируйте напряжение источника питания, чтобы получить значение, которое Вы рассчитали в шаге 1.
7. Подключите нагрузку 3,3 кОм к эквивалентной схеме и измерьте выходное напряжение. Оно такое же, как и то, которое Вы получили в шаге 3? Объясните.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Почему на рисунке 11-1 при удаленном резисторе RL, комбинация резисторов R4-R5-R6 не влияет на выходное напряжение?
а) фактически она влияет на выходное напряжение,
б) в них не протекает ток или на них нет падения напряжения,
в) сопротивление этой комбинации намного меньше, чем сопротивление RL, поэтому нет влияния на выход.
2. Какое значение сопротивления нагрузки создаст максимальную мощность в нагрузке?
а) 910 Ом,
б) 1,06 кОм,
в) 3,33 кОм,
г) 10,6 кОм.
3. Для вычисления Vтн, резистор RL:
а) удаляется или его контакт размыкается,
б) закорачивается.
4. Для вычисления Rтн,источник питания:
а) отключается одним выводом,
б) закорачивается.
5. Теорема Тевенина используется как для схем переменного тока, так и для схем постоянного тока:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
Рис. 11-1. Принципиальная схема для определения теоремы Тевенина-Гельмгольца
Рис. 11-2. Источник питания заменяется источником питания с другим напряжением, величина которого называется эквивалентным напря
Рис. 11-3. Принципиальная схема для расчета квивалентного напряжения и эквивалентного сопротивления Тевенина в точках А и В
Ф. 1. К расчету сопротивлений между точками А и В
12. Принцип суперпозиции
ЭКСПЕРИМЕНТ 12 Принцип суперпозиции
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете анализировать схемы, используя принцип суперпозиции.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Два независимых регулируемых источника постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 1 кОм, один резистор 1, 5 кОм, один резистор 2, 2 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Принцип суперпозиции — это метод, используемый для анализа сложных схем при использовании двух или более источников питания. Хотя для таких схем могут быть использованы анализ цепей методом контурных токов и другие методы, принцип суперпозиции является более простым и ускоренным.
Для использования принципа суперпозиции при анализе выполняйте три шага:
1) замените все источники напряжения, за исключением одного, короткозамыкателем, а
затем рассчитайте все токи и падения напряжений;
2) замените оставшийся источник напряжения короткозамыкателем и снова сделайте расчет схемы после того, как вновь подключите один из других источников напряжения;
3) алгебраически сложите все токи из Ваших расчетов и подсчитайте все падения напряжения. Пример приводится на рисунке 12-1.
Рис. 12-1.
Примерные шаги
Шаг 1.
Требуется подсчитать напряжение на резисторе R2. Сначала источник V2, заменяется короткозамыкателем. Это приводит к параллельному соединению резисторов R2, и R3
Их эквивалентным сопротивлением является:
180 (330)/(180+ 330) = 59400/510 = 116, 5 Ом
Полное сопротивление составляет:
116, 5+ 750 = 866, 5 Ом
Общий ток, потребляемый от источника питания 12 В, имеет величину:
12/866, 5 = 0, 01385 А = 13, 85 мА
Падение напряжения на резисторе R составляет:
0, 01385 (750) = 10, 39 В
Напряжение на сопротивлениях R2 и R3 имеет величину:
12 - 10,39 = 1,61 В Ток, протекающий через R2 имеет величину:
1,61/330 = 0,0049 А = 4,88 мА Ток, протекающий через R имеет величину:
1,61/180 = 0,00894 А = 8,94 мА
Шаг 2.
Далее источник V1 заменяется короткозамыкателем. Это приводит к параллельному соединению резисторов R1 и R2. Эквивалентным сопротивлением резисторов R1 и R2 является:
750(330)/(750+330)=247500/1080=229,2 Ом
Полное сопротивление составляет:
229,2 + R3 = 229,2 + 180 = 409,2 Ом
Общий ток схемы имеет величину:
12/409,2 = 0,02933 А = 29,33 мА
Падение напряжения на резисторе R3 составляет:
0,02933(180) = 5,28 В
Напряжение на сопротивлениях R1 и R2 имеет величину:
12 - 5,28 = 6,72 В
Ток, протекающий через R1, имеет величину:
6,72/750 - 0,00896 А = 8,96 мА
Ток, протекающий через R2, имеет величину:
6,72/330 = 0,02036 А = 20,36 мА
ШагЗ.
Теперь полный ток через резистор R2 может быть найден сложением токов, которые Вы только что подсчитали. Ток через резистор R2 вызванный напряжением V2 составляет 20,36 мА и протекает сверху вниз (поток электронов). Ток через резистор R2, вызванный напряжением V1, составляет 4,88 мА и протекает снизу вверху. Поскольку два тока противоположно направлены, то результирующим током в цепи является их разность.
20,36 - 4,88 = 15,48 мА
Направление потока электронов такое же, как у тока большей величины (сверху вниз).
Тогда напряжение на резисторе R2, имеет величину:
0,01548(330) = 5,1 В
Это напряжение отрицательно по отношению к массе.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы будете использовать процедуру, приведенную ниже.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к схеме, представленной на рисунке 12-2. Используйте принцип суперпозиции для вычисления всех токов и падений напряжения в схеме. Покажите Вашу работу. Каково падение напряжения на резисторе R2, и какова его полярность?
Vr2=______В
Рис. 12-2.
2. Составьте таблицу, в которой укажите все Ваши расчетные значения, которые относятся к одному только источнику V1, к одному только источнику V2
а также к подключенным одновременно источникам V1 и V2.
3. Соберите схему, показанную на рисунке 12-2. Для данного шага не подключайте V3. А вместо этого вставьте проволочный короткозамыкатель в то место, где показан источник питания V2.
4. Включите питание. Установите источник питания V1 на -15 В. Измерьте все токи через резисторы и соответствующие падения напряжения. Запишите полученные значения в Вашу
таблицу.
5. Выключите питание. Отсоедините проволочный короткозамыкатель и на его место присоедините источник питания V2. Отсоедините источник питания V1, а на его место подключите проволочный короткозамыкатель.
6. Включите питание. Установите источник питания V на +10 В. Измерьте все токи через резисторы и соответствующие падения напряжения. Запишите полученные значения в Вашу таблицу.
7. Выключите питание. Отсоедините проволочный короткозамыкатель и на его место снова присоедините источник питания V1.
8. Включите снова питание. Теперь измерьте все токи и напряжения для данного случая, когда присоединены оба источника питания. Снова запишите полученные значения в Вашу таблицу. Каково напряжение на резисторе R2? Укажите также его полярность.
Vr2=________В
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Принцип суперпозиции обычно легче использовать, чем метод контурных токов или метод узловых потенциалов:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
2. Принцип суперпозиции используется для анализа схем с одним источником напряжения:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
3. Какова будет полярность падения напряжения на резисторе R, на рисунке 12-2, если изменить полярности обоих источников питания?
а) отрицательная,
б) положительная.
4. Падение напряжения на резисторе R рисунка 12-2 имеет величину:
а) 2, 56 В,
б) 7, 44 В,
в) 12, 44 В,
г) 25, 44 В.
5. Падение напряжения на резисторе R3, рисунка 12-2 имеет величину:
а) 2, 56 В,
б) 8, 44 В,
в) 12, 44 В,
г) 7, 44 В.
Рис. 12-1. Пример к определению принципа суперпозиции
Рис. 12-2. К эксперименту для определения принципа суперпозиции
13. Катушки индуктивности и постоянный ток
ЭКСПЕРИМЕНТ 13 Катушки индуктивности и постоянный ток
Цели
После проведения данного эксперимента. Вы сможете продемонстрировать и сформулировать эффект индуктивности в цепи постоянного тока.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Источник постоянного напряжения (от 9 до 15 В)
* Силовой трансформатор
* Неоновая лампа (NE-2) с проволочными выводами
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Индуктивность — это свойство электронного компонента противодействовать изменениям тока, протекающего через данный компонент.
Индуктивностью обладают компоненты, которые называются катушками индуктивности, соленоидами или дросселями. Если ток, протекающий в катушке индуктивности, изменяется, свойство индуктивности противодействует такому изменению тока. Если ток увеличивается, катушка индуктивности препятствует росту тока. Если ток уменьшается, катушка индуктивности снова пытается сохранить ток без изменения. Эффект индуктивности заметен в первую очередь в тех схемах, где используется переменный ток. Противодействие переменному току, оказываемое катушкой индуктивности, называется индуктивным сопротивлением. Подобно сопротивлению резистора индуктивное сопротивление оказывает фиксированное противодействие, которое контролирует уровень тока в схеме.
В схемах постоянного тока, в которых ток обычно имеет фиксированное значение, определяемое сопротивлениями и напряжениями, катушки индуктивности обычно имеют лишь незначительный эффект или вообще не имеют никакого эффекта. Тем не менее, они оказывают влияние на постоянный ток, и важно ясно представлять себе это явление.
Катушки индуктивности в схемах постоянного тока
Первичным назначением катушки индуктивности в схеме постоянного тока является оказание противодействия в форме сопротивления. Катушки индуктивности обычно представляют собой проволочные спирали, которые создают сопротивление. Хотя резистивное сопротивление катушки индуктивности обычно низко, катушка создает противодействие. В дополнение мощность рассеивается сопротивлением катушки индуктивности.
Эффекты индуктивности проявляются, когда изменяется ток в цепи постоянного тока. Хотя ток обычно имеет фиксированную величину в работающей схеме постоянного тока, не забывайте также, что необходимо еще включать и выключать
схему. Когда ток первоначально подается в схему или удаляется их схемы, имеет место его значительное изменение. Такое изменение тока заставляет катушку индуктивности противодействовать этому изменению. В результате появляется наведенное (индуктированное) напряжение, которое, как и в схеме переменного тока, противодействует изменению тока.
Наиболее значительный эффект достигается в том случае, когда ток через катушку индуктивности внезапно подавляется. Магнитное поле вокруг катушки индуктивности исчезает, индуцируя очень высокое напряжение в катушке. Это напряжение может даже приводить к повреждениям компонентов в некоторых случаях. В других применениях, наоборот, используется преимущество этого эффекта с целью формирования очень высокого напряжения для питания тех или иных специальных компонентов или цепей. Примерами могут служить трансформаторы строчной развертки в телевизионных приемниках и катушки зажигания в системах зажигания автомобилей.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы будете знакомиться с эффектами катушки индуктивности в схеме постоянного тока.
ПРОЦЕДУРА
1. Для данного эксперимента Вы будет использовать первичную обмотку трансформатора. Эта обмотка идентифицируется двумя черными выводами. Все другие выводы игнорируйте.
Измерьте сопротивление катушки индуктивности. Запишите полученное значение.
Сопротивление постоянному току = _____ Ом
2. Предскажите, какой величины ток может быть в катушке индуктивности, если к ней приложить напряжение 15В от источника питания. Ток = ____ мА
3. Подключите источник питания 15 В к катушке индуктивности и измерьте постоянный ток, протекающий через катушку. Обратитесь к рисунку 13-1. Запишите величину протекающего тока.
Измеренный ток = _____ мА
Рис. 13-1. Первичная обмотка, используемая в качестве катушки индуктивности.
4. Какой эффект оказывает источник на катушку индуктивности, и какой эффект оказывает катушка индуктивности на ток в цепи?
5. Рассмотрите неоновую лампу. Это маленькая стеклянная лампочка с тонкими проволочными выводами. Подключите неоновую лампу параллельно с катушкой индуктивности, как показано на рисунке 13-2. Неоновая лампа загорится только в том случае, если напряжение на ее выводах превышает приблизительно 70—90В.
6. Приложите напряжение 15В от источника питания к катушке индуктивности, как показано
на рисунке 13-2. Заметьте состояние неоновой лампы. Включена или выключена неоновая лампа?
Состояние лампы________________
Рис. 13-2.
7. Отсоедините один вывод катушки индуктивности от источника питания и снова заметьте состояние неоновой лампы.
Состояние лампы ________________
8. Повторите шаги 6 и 7 несколько раз, чтобы наверняка увидеть, что происходит.
9. Объясните эффект, который Вы наблюдаете в шагах 7 и 8.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
I. Катушка индуктивности противодействует изменениям;
а) напряжения,
б) тока,
в) сопротивления,
г) индуктивности.
2. Другое название для катушки индуктивности:
а) трансформатор,
б) магнит,
в) соленоид,
г) дроссель.
3. Все катушки (соленоиды) имеют сопротивление:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
4. Противодействие постоянному току, оказываемое катушкой индуктивности, называется:
а) индуктивностью,
б) сопротивлением,
в) реактивным сопротивлением,
г) полным сопротивлением.
5. Напряжение 30 вольт подается на 90-вольтовую неоновую лампу. Лампа:
а) включается,
б) не включается.
Рис. 13-1. Первичная обмотка, используемая в качестве катушки индуктивности.
Рис. 13-2. К определению состояния неоновой лампы.
14. Постоянная времени RC-цепи
ЭКСПЕРИМЕНТ 14 Постоянная времени RC-цепи
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете продемонстрировать, как величины емкости и сопротивления управляют временем заряда и разряда конденсатора.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Секундомер или часы с секундной стрелкой
* Элементы:
один электролитический конденсатор 22 мкФ, один электролитический конденсатор 100 мкФ, один резистор 33 кОм, 1/4 Вт,
* один резистор 100 кОм, 1/4 Вт, один резистор 220 кОм, 1/4 Вт, один резистор 1 МОм, 1/4 Вт.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Конденсатор представляет собой электроэлемент, который накапливает электричество в форме электрического поля. Когда к конденсатору прикладывается постоянное напряжение, электроны покидают одну обкладку конденсатора и скапливаются на другой обкладке под действием
внешней силы напряжения. Это приводит к заряду конденсатора до напряжения, равного приложенному напряжению.
Положительный заряд на одной обкладке конденсатора и отрицательный заряд на другой обкладке конденсатора создают сильное электрическое поле между обкладками в диэлектрике. Такой заряд удерживается даже в том случае, если источник напряжения отсоединяется. Конденсатор может разряжаться соединением его выводов друг с другом для нейтрализации заряда на обкладках.
Зарядка и разрядка конденсатора до определенного напряжения занимает конечный период времени (называемый постоянной времени); это время зависит в основном от емкости конденсатора и включенного последовательно сопротивления. Постоянная времени зарядки — это время, которое требуется конденсатору, чтобы зарядиться до 63, 2% приложенного напряжения. Это время (Т) в секундах выражается так:
Т=RС
Постоянная времени разрядки — это время, которое требуется конденсатору, чтобы разрядиться до 36, 8% от начального заряда.
Время, которое требуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться до приложенного напряжения или полностью разрядиться до нуля, приблизительно равно пятикратной постоянной времени, то есть 5Т.
Краткое содержание
Многие электронные схемы основываются на идее использования постоянной времени для своей работы. К таким схемам относятся, например, схемы задержки времени, схемы формирования импульсов и сигналов, а также генераторные схемы. В настоящем эксперименте Вы познакомитесь с постоянной времени заряда и разряда, используя для этого три различных группы резисторов и конденсаторов.
ПРОЦЕДУРА
Процесс зарядки
Резистор 100 кОм; конденсатор 100 мкф
1. Соберите схему, показанную на рисунке 14-1. Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора.
Рис. 14-1.
2. Отрегулируйте источник питания на напряжение 12 В.
3. Рассчитайте величину напряжения, которое появится на конденсаторе в течение одной постоянной времени.
Напряжение (Т) = ______ В
4. Рассчитайте постоянную времени, используя значения, показанные на рисунке 14-1. Запишите Ваш результат в колонку 3 на рисунке 14-2. Рассчитайте также значение времени, которое потребуется конденсатору, чтобы полностью зарядиться (5Т). Запишите Ваш результат в колонку 4 на рисунке 14-2.
Рис. 14-2.
5. Соедините измерительные выводы Вашего мультиметра, соблюдая полярность, с выводами конденсатора. Мультиметр должен показать 0 В. Если это не так, на обкладках конденсатора имеется некоторое остаточное напряжение. Удалите его, кратковременно закорачивая выводы конденсатора друг с другом в течение нескольких секунд. Снова выполните измерение напряжения Вашим мультиметром, чтобы убедиться, что напряжение конденсатора равно нулю.
6. Оставьте измерительные выводы мультиметра на выводах конденсатора, свободный конец резистора 100 кОм присоедините к выводу+ 12 В источника питания. В момент присоединения
запустите Ваш секундомер или начните отсчет времени при помощи секундной стрелки Ваших часов. Когда напряжение на конденсаторе начнет расти, замечайте его величину. Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения, которое Вы рассчитали в шаге 2, заметьте время по секундомеру или по секундной стрелке. Запишите это значение в качестве измеренной постоянной времени в колонку 5 рисунка 14-2.
ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите данный шаг несколько раз, чтобы убедиться в том, что Ваш отсчет времени относительно точен. Ведь Вы пытаетесь наблюдать как за показаниями вольтметра, так и за секундомером, чтобы определить время, необходимое для достижения конкретного уровня напряжения. Это довольно мудреная операция, так что повторите ее несколько раз для большей точности измерений. ВНИМАНИЕ:
если Вам потребуется повторять эксперимент, удаляйте резистор 10кОм и полностью разряжайте конденсатор 100 мкФ, прежде чем приступать к каждому дополнительному измерению. 7. Снова полностью разрядите конденсатор и снова подсоедините измерительные выводы. Коснитесь свободным выводом резистора 100 кОм к выводу +12 В источника питания. На этот раз измерьте время, которое потребуется конденсатору для полной зарядки до величины приложенного напряжения, которое Вы измерили в шаге 1. Как и прежде, начните отсчет времени по секундомеру или по секундной стрелке часов в том момент, когда Вы подаете напряжение на резистор. Запишите это измеренное время,
которое требуется конденсатору для полной зарядки, в колонку 6 рисунка 14-2.
Резистор 11 к0м; конденсатор 22 мкф
8. Повторите шаги с 4 по 7. используя конденсатор 22 мкф и резистор 100 к0м. Заполните поля в таблице на рисунке 14-2, как Вы это делали раньше. Вашими расчетными и измеренными значениями.
Резистор 220 к0м; конденсатор 100 мкф
9. Снова повторите шаги с 4 по 7, но на этот раз используйте конденсатор 100 мкФ и резистор 220 к0м. Запишите Ваши расчетные и измеренные значения в таблицу на рисунке 14-2.
Наблюдение
10. Рассматривая информацию на рисунке 14-2 и замечая различные значения времени, полученные при различных значениях сопротивления и емкости, сделайте Ваше собственное заключение относительно влияния значений сопротивления и емкости на постоянную времени.
Процесс разрядки
Резистор 100 к0м; конденсатор 100 мкф
11. Перекомпонуйте схему, чтобы она соответствовала схеме, показанной на рисунке 14-3. Соблюдайте полярность при подключении электролитического конденсатора. В данной части эксперимента Вы будете демонстрировать процесс разрядки конденсатора. Чтобы сделать это, подключите резистор параллельно конденсатору.
Рис. 14-3.
12. Рассчитайте постоянную времени схемы и время, которое требуется для полной разрядки конденсатора, и запишите Ваши данные в колонку 3 на рисунке 14-4.
Рис. 14-4.
13. Далее определите величину напряжения, до которого разрядится конденсатор за одну постоянную времени. Используйте исходное напряжение
источника питания, которое Вы измерили в шаге 1. Рассчитайте величину напряжения, которое будет присутствовать на Конденсаторе после его разрядки в течение одной постоянной времени.
Напряжение (t) = _______ В
Резистор 100 кОм; конденсатор 22 мкф
14. Подключите измерительные выводы Вашего мультиметра к конденсатору 22 мкф. В данное время напряжение должно равняться нулю, поскольку любой заряд на обкладках конденсатора был устранен в процессе разрядки конденсатора через резистор 1 МОм. Подключите схему к выводу+ 12 В источника питания. Конденсатор заряжается немедленно до напряжения источника питания; последовательно с конденсатором нет подключенного сопротивления.
15. Продолжайте фиксировать измерительные выводы мультиметра параллельно выводам конденсатора. Удалите соединительный провод с вывода+ 12 В источника питания. Одновременно с удалением провода начните отсчет времени по Вашему секундомеру или по секундной стрелке часов. Наблюдайте при этом за напряжением на выводах конденсатора. Когда напряжение достигнет нужного значения, заметьте время. Запишите постоянную времени в колонку 5 таблицы на рисунке 14-4. Как и раньше. Вы можете пожелать повторить шаги 13 и 14 несколько раз, чтобы улучшить точность измерений. Ведь, поскольку Вам приходится наблюдать одновременно за двумя значениями, измерение довольно хитроумно. Усредняя несколько показаний, Вы получите большую точность в измерении.
Резистор 220 кОм; конденсатор 22 мкф
16. Снова повторите шаги с 12 по 15, но на этот раз используйте конденсатор 22 мкф и резистор 220 кОм. Снова рассчитайте значения времени разрядки для одной постоянной времени и для пяти постоянных времени. Запишите все Ваши данные в таблицу на рисунке 14-4.
Наблюдение
17. Рассматривая информацию на рисунке 14-4 и замечая различные значения времени, полученные при различных значениях сопротивления и емкости, сделайте Ваше заключение относительно зависимости между временем разрядки и значениями сопротивления и емкости.
18. На основании сравнения Ваших расчетных и измеренных значений объясните возможные несоответствия.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Требуется то же самое время для полной зарядки конденсатора, какое требуется и для полной его разрядки:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
. 2. До какого напряжения зарядится конденсатор 5 мкф через резистор 10кОм за одну постоянную времени при его подключении к источнику питания 6 В?
а) 1, 4 В,
б) 2, 5 В,
в) 3, 8 В,
г) 5 В.
3. Сколько времени потребуется конденсатору из вопроса 2, чтобы полностью разрядиться?
а) 5 мс,
б) 10 мс,
в) 50 мс,
г) 250 мс.
4. Конденсатору требуется 80 миллисекунд, чтобы полностью зарядиться. Поэтому постоянная времени равна:
а) 8 мс,
б) 16 мс,
в) 40 мс,
г) 80 мс.
5. При заданных значениях R (сопротивление) и С (емкость) емкость удваивается, а сопротивление уменьшается в два раза, при этом постоянная времени:
а) остается прежней,
б) удваивается,
в) учетверяется,
г) уменьшается в два раза.
Рис. 14-1. Схема для определения постоянной времени
Рис. 14-2. Таблица для определения времени заряда
Рис. 14-3. Схема для определения процесса разрядки конденсатора
Рис. 14-4. Таблица для определения времени разряда
15. Проверка конденсаторов
ЭКСПЕРИМЕНТ 15 Проверка конденсаторов
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете, используя мультиметр, проверять конденсаторы для выявления дефектных.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Элементы:
один электролитический конденсатор 100 мкФ, один бумажный или пленочный конденсатор 0,47 мкФ, один дисковый конденсатор 0,01 мкФ.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Часто появляется необходимость осуществлять проверку конденсаторов во время работ, связанных с поиском неисправностей, ремонтом или разработкой схем. Для данной цели имеются специальные испытательные приборы. У Вас же может не быть под рукой таких приборов, да и особой необходимости в них обычно нет. Для выполнения большинства основных испытаний конденсаторов Вы можете использовать мультиметр, аналоговый или цифровой. В этом эксперименте мы покажем, как использовать Ваш цифровой мультиметр для таких целей.
Выход конденсатора из строя
Имеется три основных пути выхода конденсатора из строя. Во-первых, конденсатор может иметь обрыв. Это означает, что один вывод или даже два вывода могут оторваться от обкладок конденсатора. Схема становится такой, как если бы не было абсолютно никакого электрического соединения.
Другой вид отказа конденсатора — когда он замыкается накоротко. При таком типе неисправности обкладки конденсатора касаются или замыкаются накоротко каким-то другим образом. Короткое замыкание — это соединение с очень незначительным сопротивлением, и эффект такой же, как если бы два вывода конденсатора были соединены непосредственно друг с другом.
Конденсатор может отказать также из-за образовавшейся утечки. Такая утечка происходит вследствие сопротивления, появившегося между обкладками конденсатора. Это проявляется в том, что кажется, будто конденсатор имеет некоторое сопротивление, подключенное к нему параллельно.
Короткие замыкания, обрывы и утечки могут определяться с помощью мультиметра (переключенного в режим измерения сопротивлений, то есть мультиметр при этом используется в качестве омметра).
Проверка конденсатора
Для проверки конденсатора.соедините его выводы параллельно с измерительными выводами мультиметра и измерьте сопротивление конденсатора. Короткое замыкание конденсатора обнаруживается по очень низкому значению сопротивления. Обрыв обнаруживается по всякому отсутствию измерения со стороны мультиметра. Утечка обнаруживается по некоторому определенному значению сопротивления. Запомните также, что в том случае, когда мультиметр «видит» обрыв в схеме, он обычно индицирует единицу в самом левом разряде на жидкокристаллическом дисплее.
О выполнении измерений
Для выполнения измерений значений сопротивления мультиметр должен фактически приложить напряжение к внешнему компоненту. Для этой цели в мультиметре используется внутренний источник. Его напряжение прикладывается к внешнему элементу (резистору или конденсатору) через схемы омметра. Мультиметр, когда он используется для измерения сопротивлений, обращается в омметр. Омметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление. Это значение сопротивления определяется пределом измерения, на который устанавливается мультиметр. Чем выше предел измерения сопротивлений, тем больше внутреннее сопротивление мультиметра.
Краткое содержание
Требуется некоторое конечное время для зарядки конденсатора; таким образом, при испытании конденсаторов с большими емкостями Вы заметите варьирование показаний мультиметра. Это происходит, когда конденсатор заряжается до внутреннего напряжения, обеспечиваемого мультиметром. Обычно такая индикация появляется при очень низком начальном значении сопротивления. Постепенно оно увеличивается, пока конденсатор
полностью не зарядится, когда на индикации уже будет показание для незамкнутого контура. В настоящем эксперименте Вы продемонстрируете это явление в следующей процедуре.
ПРОЦЕДУРА
1. Переключите Ваш мультиметр в режим измерения сопротивления постоянному току. Установите предел измерения 200 кОм.
Конденсатор 100 мкф
2. Выберите конденсатор 100 мкф. Кратковременно соедините его выводы, чтобы снять любой заряд, который может остаться в конденсаторе.
3. Коснитесь измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора 100 мкф; красным выводом коснитесь к положительному контакту конденсатора, а черным выводом коснитесь к отрицательному контакту. Обращайте внимание на эффект, который Вы можете наблюдать на жидкокристаллическом дисплее мультиметра. Удерживайте измерительные выводы на выводах конденсатора и следите за показаниями на дисплее, пока не увидите индикации, соответствующей незамкнутой цепи. (Помните: единица в левом разряде индикации.)
4. С учетом изменений в значениях сопротивления, которые Вы заметили во время измерения в шаге 3, объясните, что происходило.
5. Далее разрядите конденсатор, касаясь одним его выводом другого вывода в течение нескольких секунд. Затем установите переключатель диапазонов прибора на предел измерения 2 кОм.
6. Коснитесь измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора; красным выводом — к положительному контакту конденсатора, а черным выводом — к отрицательному контакту. Наблюдайте за эффектом на жидкокристаллическом дисплее мультиметра.
7. Объясните результаты, которые Вы получили в шаге 6, и сравните их с теми результатами, которые были получены Вами в шаге 4.
Конденсатор 0, 47 мкф
8. Выберите конденсатор 0, 47 мкФ. Кратковременно коснитесь друг друга его выводами, чтобы разрядить конденсатор.
9. Установите переключатель диапазонов мультиметра на предел измерения 20МОм. Проверяйте конденсатор, прикоснувшись измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора, обращайте при этом внимание на эффект, который Вы можете наблюдать на жидкокристаллическом дисплее мультиметра.
10. Разрядите конденсатор, касаясь одним его выводом другого вывода в течение нескольких секунд. Затем установите переключатель диапазонов прибора на предел измерения 2 МОм. Затем снова проверьте конденсатор, касаясь измерительными выводами мультиметра выводов конденсатора. Наблюдайте за эффектом на жидкокристаллическом дисплее мультиметра.
Конденсатор 0, 01 мкф
11. Выберите конденсатор 0, 01 мкФ. Кратковременно коснитесь друг друга его выводами, чтобы разрядить конденсатор.
12. Установите переключатель диапазонов мультиметра на предел измерения 2 МОм. Коснитесь измерительными выводами мультиметра к выводам конденсатора и заметьте индикацию мультиметра. ПРИМЕЧАНИЕ: присоединяя измерительные выводы мультиметра к выводам конденсатора, избегайте контакта с Вашими пальцами.
13. Теперь разрядите конденсатор, касаясь одним его выводом другого вывода в течение нескольких секунд. На этот раз присоединяйте измерительные выводы мультиметра к выводам конденсатора, удерживая места соединений Вашими пальцами. Используйте большой и указательный палец каждой руки для прижимания соответствующего измерительного вывода к выводу конденсатора. Наблюдайте за эффектом на жидкокристаллическом дисплее мультиметра.
14. Объясните результаты, которые Вы получили в предыдущих двух шагах.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Когда мультиметр переключается в режим омметра, что Вы тестируете?
а) напряжение,
б) ток,
в) сопротивление.
2. Когда мультиметр измеряет незамкнутый контур, на жидкокристаллическом дисплее должно считываться:
а) 0,
б) 1,
и) очень большое значение, г) очень маленькое значение.
3. При проверке конденсатора при помощи мультиметра получено показание 275 кОм. Это означает, что конденсатор:
а) хороший,
б) имеет обрыв,
в) закорочен,
г) имеет утечку.
4. Конденсатор не показывает зарядной индикации на мультиметре. Что может иметь место в подобном случае?
а) конденсатор может иметь очень маленькую величину,
б) используется низкий предел измерения сопротивления,
в) конденсатор может иметь обрыв,
г) все указанное выше,
д) ни одно из указанных выше.
5. Если Вы будете касаться пальцами выводов резистора, конденсатора или измерительных выводов мультиметра, измерения могут оказаться неправильными:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
3. Эксперименты с переменным током.
Эксперименты с переменным током.
1. Ознакомление с осциллографом
ЭКСПЕРИМЕНТ 16 Ознакомление с осциллографом
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете использовать органы управления осциллографа для вывода на его дисплейный экран осциллограмм сигналов и осуществления измерений амплитуды и частоты для постоянного и перемен-ног» тока.
Необходимые принадлежности
* Осциллограф
* Мультиметр
* Генератор функций
* Источник постоянного напряжения
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Осциллограф становится относительно простым в использовании прибором после первого знакомства с ним. Затруднение может вызывать лишь изучение и запоминание функции каждого из различных органов управления на передней панели. На передней панели осциллографов имеется множество ручек, лимбов, переключателей, кнопок и соединителей. Для непосвященных это кажется очень трудным. Изучите назначение каждого органа управления и проследите за его действием на дисплее. В результате Вы быстро поймете способ
его использования. Одним из лучших способов изучения функций и методов использования осциллографа является получение по возможности большего опыта во время практической работы.
Осциллограф
Используемый Вами осциллограф, по-видимому, двухканального типа (он позволяет наблюдать одновременно два отдельных сигнала). Следовательно, он имеет два входных кабеля и соединителя. Они обычно маркируются как канал 1 и 2 или А и В. Каждый кабель также имеет наименование; имеются два основных типа — прямой и аттенюаторный.
Кабели осциллографа
Кабель прямого типа является коаксиальным кабелем с двумя выводами, которые обычно имеют концевую заделку посредством зажимов типа «крокодил» для подключения к схеме. В этом кабеле могут использоваться также щуповые наконечники вместо двух зажимов типа «крокодил». В любом случае данный кабель подводит сигнал, который должен воспроизводиться на экране, напрямую (без ослабления) к осциллографу.
С аттенюаторным типом соединителя также используется коаксиальный кабель, но в общем случае применяется щуп вместо зажимов типа «крокодил». Узел щупа содержит последовательный резистор с большим сопротивлением, которое вместе с полным входным сопротивлением осциллографа формирует делитель напряжения. Таким образом, данный щуп и кабель выполняют ослабление (аттенюацию) сигнала в 10 раз.
Преимуществом такого кабеля является то, что он создает меньшую емкостную нагрузку для схем высокой частоты, позволяя визуализировать высокочастотные сигналы и сложные формы сигнала. Тем не менее, взамен имеет место потеря амплитуды сигнала, которая может обычно компенсироваться увеличением усиления осциллографа. Чтобы получить корректное измерение амплитуды сигнала, настройка осциллографа умножается на 10. Такие щупы называются щупами Х10.
Измерение амплитуды
Для амплитудных измерений на осциллографе используется откалиброванная сетка или координатная сетка на экране электронно-лучевой трубки для определения числа делений между максимальным положительным и минимальным отрицательным отклонениями сигнала (такое измерение называется измерением размаха или двойной амплитуды сигнала). Для измерений выполняйте следующие шаги:
Шаги при измерении амплитуды
1. Установите переключатель управления коэффициентом усиления по вертикали для визуализации как можно большего размаха сигнала на координатной сетке.
2. Установите ручку непрерывного управления коэффициентом усиления по вертикали в позицию CAL (калибровка).
3. Подсчитайте количество делений и долей деления между положительным и отрицательным пиками сигнала. Используйте регулятор вертикальной позиции для перемещения осциллограммы сигнала при необходимости. Заметьте, что большая часть осциллографов имеет восемь больших вертикальных делений, разделенных на пять меньших делений.
4. Умножьте число делений на значение установки переключателя коэффициента усиления по вертикали. Вы получаете значение размаха сигнала.
5. Если Вы использовали щуп Х10, умножьте Ваше
значение в шаге 4 на 10. Это даст правильное
значение размаха напряжения.
Пример: Коэффициент усиления по вертикали устанавливается 50 мВ/деление. Это означает, что каждое большое вертикальное деление соответствует 50 мВ. При этом каждое из пяти малых делений соответствует 50/5 = 10 мВ.
Предположим, что амплитуда Вашего сигнала перекрывает 6, 3 делений. Тогда его значение амплитуды равно 50 х 6, 3 = 315 мВ. Если использовался щуп Х10, то амплитуда сигнала равна 315 х 10 = 3150 мВ или 3, 15В.
Измерение частоты
Для измерений частоты (f) на осциллографе сначала измерьте период (t) сигнала. Период — это время одного цикла. Самый простой способ сделать это — подсчитать количество горизонтальных делений между двумя последовательными пиками сигнала. Для измерений выполняйте следующие шаги:
Шаги при измерении частоты
1. Установите переключатель горизонтальной развертки для визуализации одного или двух периодов (циклов) сигнала.
2. Установите ручку непрерывного управления горизонтальной частотной разверткой в положение CAL (калибровка).
3. Подсчитайте количество делений между последовательными пиками сигнала. Используйте регулятор горизонтального сдвига для перемещения осциллограммы сигнала при необходимости.
4. Умножьте число делений на значение установки переключателя горизонтальной развертки. Вы получаете значение периода сигнала (t). 5. Чтобы вычислить частоту сигнала, найдите обратную величину периода: f = 1/t Пример: Переключатель горизонтальной развертки устанавливается на 20 мкс/деление. Предположим, Вы насчитали 4, 4 деления между последовательными пиками сигнала. Тогда его период (1) равен: 4, 4 х 20 = 88 микросекунд. А частота сигнала равна:
f = 1/(88 х 10^-6) = 11363, 64 Гц или 11, 36 кГц
ПРОЦЕДУРА
1. Рассмотрите измерительные выводы осциллографа, чтобы определить, какого они типа. Запишите эти типы:
СН А (канал А. __________
СН В (канал В) __________
2. Включите питание осциллографа при помощи переключателя на передней панели. Дайте электронно-лучевой трубке приблизительно одну минуту, чтобы прогреться:
а) пока электронно-лучевая трубка прогревается, установите переключатель управления режимом развертки в положение Авто;
б) установите селектор источника в положение СН 1 (канал 1) или CН А (канал А);
в) установите регулятор горизонтального сдвига в среднее положение;
г) регулятор вертикального сдвига предусмотрен для обоих входных каналов; установите его также в среднее положение;
д) установите входной переключатель для каждого канала в положение GND (масса);
е) когда осциллограф прогреется, Вы должны видеть яркую горизонтальную линию на экране осциллографа. Поворачивайте регулятор вертикального сдвига, чтобы переместить горизонтальную линию в центр экрана. 3. След на экране должен быть ярким и четким. Если это не так, отрегулируйте его ручками фокусировки и яркости, которые обычно расположены на передней панели осциллографа. Используя регулятор фокусировки, Вы должны попробовать сделать линию размытой, а затем сфокусировать ее до четкого состояния. Попробуйте поработать регулятором яркости, который устанавливает уровень яркости линии. Не делайте линию слишком яркой, ибо в этом случае она будет слишком широкой, что снизит точность Ваших измерений.
ПРИМЕЧАНИЕ: Запомните в качестве основного правила, что яркость делать надо низкой, насколько возможно, лишь бы она обеспечивала удобное наблюдение при нормальном окружающем освещении.
4. Подсоедините щуповой наконечник для канала 1 (СН 1) к небольшому соединителю на передней панели, с маркировкой CAL. Осциллограф содержит встроенный мультивибратор, который работает на частоте 1 кГц и формирует прямоугольное колебание (меандр) с размахом того или иного указанного напряжения. Этот сигнал с внутренней калибровкой позволяет Вам быстро контролировать измерения при помощи осциллографа частоты и амплитуды для корректных калибровок.
CAL (калибровочное) напряжение ___ Vpp
(напряжение размаха). Установите регуляторы передней панели осциллографа таким образом, чтобы регуляторы по горизонтали и вертикали были полностью выведены по часовой стрелке в позиции CAL. Затем установите частоту горизонтальной развертки при помощи переключателя TIME/DIV в положение 0. 1 мс. И, наконец, установите коэффициент усиления по вертикали при помощи переключателя VOLTS/DIV в положение 50 мВ.
5. Если Вы даже подали откалиброванный сигнал на вертикальный вход осциллографа, на его экране не появляется никакого сигнала. Причиной этого является то, что Вы предварительно должны установить входной переключатель в положение GND (масса). Это просто заземлит входную линию и даст Вам опорную позицию нуль вольт для входного сигнала. Вы можете теперь при помощи регулятора вертикального сдвига выполнять перемещение развертки вверх и вниз, чтобы одна из горизонтальных линий на координатной сетке соответствовала положению нуль вольт. Входной переключатель установите в позицию АС (переменный ток). Сразу же Вы должны увидеть прямоугольные колебания на экране. Выполняйте регулирование при помощи регулятора вертикального и горизонтального сдвига, чтобы меандр был четко виден на экране. ПРИМЕЧАНИЕ: Когда Вы устанавливаете входной переключатель в положение АС, последовательно с входной линией включается конденсатор. На основании этого любое постоянное напряжение во входном сигнале блокируется, и на индикацию выводится только переменная составляющая сигнала. В этом случае происходит следующее. Установив линию нуля вольт на центральной горизонтальной линии, Вы заметите, что прямоугольный сигнал коммутируется выше и ниже нулевой линии. Другими словами, блокировочный конденсатор внутри осциллографа подавляет выход постоянного напряжения мультивибратора, так что на экране осциллографа появляется только переменная составляющая сигнала. 6. Далее, используйте регулятор коэффициента усиления по вертикали, чтобы варьировать амплитуду сигнала. По мере вращения регулятора Вы можете заметить, что амплитуда может изменяться в широком диапазоне. Это позволяет Вам удобно разместить сигнал на экране осциллографа для наблюдения за ним. Помните, тем не менее, что для осуществления точных измерений этот регулятор должен быть в полностью выведенном по часовой стрелке положении (CAL).
лишь в этом случае обозначения напряжений на делениях регулятора коэффициента усиления по вертикали корректны. Поворачивайте регулятор горизонтальной развертки. Вы сейчас изменяете скорость развертки внутреннего генератора пилообразного напряжения. Следовательно, Вы можете наблюдать на экране осциллографа больше или меньше периодов сигнала. Таким образом, данный регулятор позволяет Вам удобно отрегулировать количество периодов для индикации. Тем не менее, для измерения периода или других временных параметров сигнала регулятор развертки должен быть в полностью выведенном по часовой стрелке положении (CAL), чтобы значения времени на делениях переключателя были корректны.
7. Установите входной переключатель в положение DC (постоянный ток) и заметьте влияние на форму сигнала. Вам может потребоваться поработать регуляторами вертикального и/или горизонтального сдвига, чтобы снова увидеть форму сигнала. Чтобы временно локализовать и установить нулевую линию, установите входной переключатель назад в положение GND. Затем совместите линию развертки с одной из горизонтальных линий в нижней части экрана. Это опорная линия нулевого напряжения. Теперь установите входной переключатель снова в положение DC. Заметьте, что прямоугольный сигнал появляется выше нулевой линии. Это означает, что прямоугольный сигнал переключается приблизительно от нуля вольт до пикового значения. Заметьте, что когда форма сигнала разворачивается вверх от базисной нулевой линии, она представляет положительное напряжение. Если форма сигнала разворачивается вниз от базисной нулевой линии, она отражает отрицательное напряжение. 8. Измерьте амплитуду сигнала. Обеспечьте, чтобы регулятор коэффициента усиления по вертикали был полностью выведен по часовой Стрелке в положение калибровки. Подсчитайте количество вертикальных делений между основанием прямоугольного колебания и вершиной прямоугольного колебания. Например, если напряжение CAL равно 0, 25В или 250 мВ (размах), Вы должны насчитать 5 делений, когда VOLTS/DIV установлен в. положение 50 мВ. Пять делений по 50 мВ каждое дают напряжение размаха 250 мВ. Если Вы использовали аттенюаторный щуп Х10, установите регулятор коэффициента усиления по вертикали на значение 5 мВ на одно деление, затем умножьте это значение на 10, чтобы получить 250 мВ.
калибровочное напряжение =________ Vpp
Внутренняя схема калибратора недостаточно точна, однако сигнал на экране должен приблизительно соответствовать указанному на передней панели.
9. Измерьте частоту сигнала. Большинство калибраторов используют частоту 1 кГц, однако может использоваться и другое значение. Установите переключатель TIME/DIV в положение 1 мс. Убедитесь, что регулятор развертки находится в положении CAL. Это означает, что каждое горизонтальное деление на экране соответствует одной миллисекунде. Вы должны суметь увидеть, что один период прямоугольного сигнала занимает до одной миллисекунды на экране. Вспомните, что один период состоит из одного развернутого в положительную сторану и одного развернутого в отрицательную сторону импульса.
Установите переключатель TIME/DIV в положение 0, 1 мс. Теперь каждое деление на экране соответствует 0, 1 мс или 100 мкс. Поскольку период сигнала 1 кГц равен 1 миллисекунде, один полный период сигнала должен занимать весь экран (10 горизонтальных делений). Выполняйте перемещение при помощи регулятора горизонтального сдвига туда и сюда, чтобы Вы могли видеть, что положительный фронт импульса на левой стороне экрана начинается у дальней левой вертикальной линии, а затем положительный фронт следующего импульса начинается приблизительно у дальней правой вертикальной линии. Повторите это движение, чтобы Вы могли лучше разобраться в этом. Поскольку калибратор не является чрезмерно точным, длительность одного периода может быть несколько меньше или несколько больше, чем 10 полных делений на экране. Какова измеренная частота калибратора?
частота CAL = ____ Гц
0. Пока Вы рассматриваете эту форму сигнала, установите переключатель MODE в положение NORM. Если картинка исчезает, подстраивайте регулятор порогового уровня до тех пор, пока сигнал не появится снова. Вы используете теперь функцию запускаемой развертки. Вы можете регулировать пусковой
уровень или точку на форме сигнала, где сигнал запускает горизонтальную развертку. Поскольку входной сигнал представляет собой положительный импульс, запуск будет осуществляться по положительному напряжению. Варьируйте регулятором пускового уровня как в направлении по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, замечая его влияние на форму сигнала. Установите регулятор пускового уровня таким образом, чтобы, сигнал визуализировался на экране. Вытяните ручку регулятора пускового уровня. Данный переключатель изменяет полярность при запуске. Теперь Вы заметите, что форма сигнала начинается на левой стороне экрана с разворачиванием в отрицательном направлении, а не в положительном, как раньше. Позже, когда Вы будете выводить на экран колебания синусоидальной формы, Вы снова более подробно будете знакомиться с этой пусковой функцией.
11. Подключите кабель осциллографа к выходу генератора функций.
12. Установите генератор функций для формирования синусоидального сигнала с частотой 1 кГц. Поверните регулятор амплитуды или регулятор выходного уровня на генераторе функций до упора по часовой стрелке. Вы должны увидеть синусоидальный сигнал с частотой приблизительно 1 кГц на экране осциллографа. Если на экране ничего нет, переключатель режима MODE может находиться у Вас в положении NORM, а пусковой уровень может быть некорректно отрегулирован.
Регулируйте ручкой пусковой уровень, пока на экране не появится форма сигнала. После этого отрегулируйте положения переключателя коэффициента усиления по вертикали и переключателя горизонтальной развертки таким образом, чтобы Вы могли видеть на экране несколько периодов синусоидального сигнала. Поработайте с регуляторами, пока не получите на экране удовлетворительную картинку. 13. Теперь Вы будете исследовать частотный диапазон генератора функций. На генераторе функций установите переключатель диапазонов в положение самого низкого значения и поверните регулятор частоты в крайнее положение против часовой стрелки. Установите ручку переключателя режима MODE на осциллографе в положение AUTO. Вы видите горизонтальную линию поперек экрана, перемещающуюся вверх и вниз с небольшой скоростью. Скорость небольшая потому, что частота развертки вашего осциллографа слишком быстра для Вас, чтобы визуализировать (то есть, выводить на экран) полный период синусоидального сигнала, генерируемого генератором функций на такой малой частоте. Вы можете получить представление о частоте, если подсчитаете, сколько раз нарастает и убывает синусоидальное колебание. Синусоидальному сигналу должна потребоваться приблизительно 1 секунда, чтобы пройти от самой низкой до самой высокой позиции, а затем вернуться назад. Во время наблюдения за синусоидальным сигналом начните вращать ручку регулятора частоты в направлении по часовой стрелке. Скорость движения вверх и вниз должна возрастать. В некоторый момент Вы должны будете иметь возможность установить переключатель TIME/DIV на большее значение, и Вы будете наблюдать синусоидальный сигнал низкой частоты.
Установите переключатель диапазонов на генераторе функций в положение следующего более высокого значения и заметьте эффект на экране. Частота должна сразу же возрасти до значительно большего значения, и Вы увидите уже больше периодов, визуализируемых на экране. Поверните переключатель TIME/DIV в положение большего значения, и наблюдайте за синусоидальным сигналом на экране. Варьируйте положение регулятора частоты на генераторе функции, чтобы видеть, как изменяется частота.
Продолжайте этот процесс, переключая генератор функций на более высокие частоты и варьируя регулятор частоты по всему его диапазону. Этим Вы будете продолжать увеличивать частоту. При увеличении частоты синусоидальные колебания не будут больше видны, если только Вы нс растянете их при помощи переключателя горизонтальной развертки TIME/ DIV. Всякий раз, когда Вы повышаете частоту. необходимо уменьшать частоту развертки, чтобы наблюдать за формой сигнала. 14. В качестве последнего наблюдения за частотой генератора функций установите переключатель диапазонов на генераторе функций в положение максимального значения и поверните регулятор частоты R полностью выведенное по
часовой стрелке положение. То, что Вы увидите, это сигнал максимальной частоты, которую может обеспечить генератор функций. Используя описанную методику установите переключатель развертки в удобное положение. После этого выполните измерение периода между смежными положительными или отрицательными пиками. Оцените время периода, затем рассчитайте частоту. Какова приблизительно максимальная выходная частота у генератора функций?
Максимальная частота = ___ Гц
15. Пока Вы исследуете максимальную выходную частоту генератора функций, измерьте также амплитуду этого сигнала:
а) обеспечьте, чтобы регулятор амплитуды находился в его полностью выведенном по часовой стрелке положении. Это положение максимального выходного напряжения, которое может быть получено от генератора функций без нагрузки;
б) установите на осциллографе регулятор коэффициента усиления для входного сигнала по, вертикали в полностью выведенное по часовой стрелке положение калибровки;
в) переключатель VOLTS/DIV установите в удобное положение для измерения;
г) используйте регулятор сдвига по вертикали для перемещения сигнала вверх и вниз таким образом, чтобы Вы смогли подсчитать количество делений между отрицательным пиком и положительным пиком сигнала;
д) подсчитайте количество делений и умножьте это число на цену одного деления. Затем снова
умножьте полученное значение на коэффициент 10, если Вы используете аттенюаторный щуп для измерений;
е) какое максимальное выходное напряжение Вы можете получить от генератора функций? Максимальное выходное напряжение = __ В (размах) Наконец, продемонстрируйте, как уменьшить выходное напряжение сигнала с помощью регулятора амплитуды на генераторе функций в направлении против часовой стрелки. Вы должны иметь возможность понизить выходное напряжение до очень низкого уровня, однако это напряжение не опустится полностью до нуля, и при низких амплитудах форма сигнала будет несколько искажена. Однако в любом случае Вы можете варьировать формой выходного сигнала в довольно широком диапазоне.
16. Большинство генераторов функций формируют также прямоугольные сигналы и/или сигналы треугольной формы. Если Вы захотите понаблюдать за другими формами сигналов, формируемыми генератором функций, Вы можете добиться этого настройкой органов управления на передней панели. Рассмотрите сигнал треугольной формы. Какой это сигнал, АС (переменного тока. или DC (постоянного тока)? Рассмотрите сигнал прямоугольной формы. Какой это сигнал, АС (переменного тока. или ОС (постоянного тока)?
Сигнал треугольной формы _________
Сигнал прямоугольной формы _______
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Щуп х10 осциллографа:
а) ослабляет входной сигнал в 10 раз,
б) усиливает входной сигнал в 10 раз.
2. Расстояние между положительным и отрицательным пиками синусоидального сигнала составляет 6, 4 делений. Регулятор коэффициента усиления по вертикали установлен на 50 мкВ/деление. Используется щуп х10. Значение размаха напряжения составляет:
а) 3, 2 мкВ,
б) 32 мкВ,
в) 320 мкВ,
г) 3, 2 мВ.
3. Расстояние по горизонтали между смежными пиками синусоидального сигнала составляет 4, 7 делений. Скорость развертки составляет 2 мкс/ деление. Частота синусоидального сигнала равна:
а) 63, 5 кГц,
б) 94 кГц,
в) 106, 38 кГц,
г) 176, 24 кГц.
4. Какая форма сигнала обычно не формируется генератором функций?
а) синусоидальный сигнал,
б) пилообразный сигнал,
в) сигнал прямоугольной формы,
г) сигнал треугольной формы.
5. Какой регулятор Вы используете для перемещения сигнала вверх и вниз по экрану? а) регулятор коэффициента усиления по горизонтали,
б) регулятор коэффициента усиления по вертикали,
в) регулятор горизонтального сдвига,
г) регулятор вертикального сдвига.
2. Измерения синусоидальных сигналов
ЭКСПЕРИМЕНТ 17 Измерения синусоидальных сигналов
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете измерять при помощи мультиметра и осциллографа напряжения синусоидальных сигналов и осуществлять преобразование эффективных значении в значения размаха и наоборот.
Необходимые принадлежности
* Мультиметр (цифровой мультиметр)
* Осциллограф
* Генератор функций
* Источник постоянного напряжения
* Резистор 2,7 кОм
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Имеется два основных метода измерения напряжений синусоидальных сигналов — при помощи мультиметра и при помощи осциллографа. Если используется мультиметр, показания прибора осуществляются непосредственно в вольтах, которые отмечаются на шкале указателем аналогового прибора или в виде десятичного числа на жидкокристаллическом или светодиодном индикаторе цифрового прибора. При этом представляемое на индикации значение является эффективным значением или среднеквадратическим значением. Оно является также более точным показанием.
Осциллограф визуализирует на экране синусоидальный сигнал. Это наиболее легкий и более точный метод для измерения размаха сигнала. Из двух этих устройств значение мультиметра является более точным, как уже упоминалось. Тем не менее, осциллограф позволяет Вам видеть сигнал, а также любой шум, искажение или помехи, которые могут сопровождать сигнал.
Ограничения приборов
Мультиметр имеет ограничение по высокой частоте. Это предельное значение частоты варьирует от прибора к прибору, однако оно не превышает обычно нескольких тысяч герц. Осциллограф же может выполнять измерения напряжений сигналов с частотой до нескольких мегагерц.
Мультиметр позволяет Вам также измерять ток, тогда как осциллограф нет. При включении мультиметра последовательно с цепью или с компонентом Вы можете получить индикацию эффективной величины тока. Единственным способом измерить ток при помощи осциллографа является косвенный способ, а именно, надо измерить напряжение на резисторе, преобразовать значение размаха в эффективное значение, а затем разделить его на сопротивление резистора.
Формулы преобразования
При выполнении тестов и измерений в электронике обычно является необходимым преобразование
эффективных значении в значения размаха и наоборот. Для преобразования эффективных значении в значения размаха используйте следующие формулы:
Vpp = 2,828 Vrms Ipp = 2,828 Irms
(где: РР — размах, rms — эффективное значение) Для преобразования значений размаха, в эффективные значения используйте следующие формулы:
Vrms= 0,3535 Vpp
Irms= 0,3535 Ipp
Пример: Пусть требуется преобразовать показание 6,3 Vpp в эффективное значение:
Vrms= 0,3535 Vpp = 0,3535 (6,3) = 2,23 В
Пример: Пусть требуется преобразовать эффективное значение тока 7 мА в значение размаха:
Ipp = 2,828 Irms = 2,828 (7) = 19,8 мА
Осциллограф может выполнять также измерения по постоянному току. Смещение горизонтальной линии по вертикали относительно нулевой линии на экране осциллографа представляет собой входной уровень по постоянному току. Для измерения постоянного тока горизонтальную линию развертки совместите с линией координатной сетки, соответствующей нулю. Подайте входной сигнал постоянного тока, затем измерьте смещение по вертикали в делениях и преобразуйте в напряжение.
Краткое содержание
Вы познакомитесь с измерением токов и напряжений синусоидальных сигналов и выполните преобразования единиц в следующей процедуре.
ПРОЦЕДУРА
1. Включите осциллограф и визуализируйте горизонтальную линию.
2. Включите генератор функций, выберите формирование синусоидального сигнала и установите поворотный селектор на 1 кГц. Подключите выход генератора ко входу осциллографа. Визуализируйте сигнал. Отрегулируйте осциллограф для получения стабильной индикации. Отрегулируйте выход генератора до получения значения сигнала 4 V
3. Вычислите эффективное значение (rms) этого синусоидального сигнала. Измерьте эффективное значение при помощи цифрового мультиметра. Сравните Ваши расчетное и измеренное значения.
Vэфф(расчетное) = ______ В
Vэфф (измеренное) = ______ В
4. Измерьте период синусоидального сигнала при помощи осциллографа. Т = _______ секунд
5. Рассчитайте частоту синусоидального сигнала при помощи измеренного Вами периода. Сравните Ваши расчетное и измеренное значения и установку регулятора на генераторе функций.
f = ______ Гц
6. Повторите шаги 2—5 с синусоидальным сигналом 500 мВ на частоте 60 Гц и прямоугольным сигналом 15кГц, 3В Какое значение имеет эффективное напряжение в связи с синусоидальным сигналом?
7. Подключите выход генератора функции к резистору 2, 7 кОм. Отрегулируйте генератор для формирования 9 V с частотой 120 Гц. Проконтролируйте напряжение при помощи осциллографа.
8. Рассчитайте ток через резистор, используя закон Ома.
I = ______ мА
9. Измерьте ток через резистор, используя цифровой мультиметр. Сравните Ваши расчетное и измеренное значения. I = ______ мА
10. Отключите резистор от генератора. Включите один из лабораторных источников постоянного напряжения. Отрегулируйте его на формирование выходного напряжения+ 6 В. Измерьте это выходное напряжение при помощи цифрового мультиметра и осциллографа. Повторите действия для выходного постоянного напряжения-12 В.
11. Подключите выход генератора функций последовательно с источником постоянного напряжения и визуализируйте результирующий сигнал. Установите выходное напряжение источника питания на + 5 В и отрегулируйте генератор функций на 400 Гц и 2 Vpp. Начертите диаграмму комбинированного сигнала.
12. Приведите список источников возможных погрешностей, которые могут быть причиной раз
личий между расчетными и измеренными значениями в предыдущих шагах.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чему равно напряжение размаха 85 мВ в переводе на эффективное значение?
а) 6 мВ,
б) ЗОмВ,
в) 170 мВ,
г) 240 мВ.
2. Чему равно эффективное значение 16 мкА в пересчете на значение размаха?
а) 5, 7 мкА,
б) 11, 3 мкА,
в) 7, 07 мкА,
г) 45, 23 мкА.
3. Мультиметр дает индикацию:
а) значений амплитуды,
б) "значений размаха (двойной амплитуды),
в) эффективных значений,
г) средних значений.
4. Осциллограф может измерять постоянный ток:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
5. Какое устройство дает более точные измерения?
а) осциллограф,
б) мультиметр.
3. Катушки индуктивности и переменный ток
ЭКСПЕРИМЕНТ 18 Катушки индуктивности и переменный ток
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете объяснить эффект индуктивности в схеме переменного тока и рассчитать значения индуктивности и реактивного сопротивления по результатам измерении.
Необходимые принадлежности
* Осциллограф
* Цифровой мультиметр
* Катушка индуктивности 100 мГн
* Генератор функций / сигнал-генератор
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Когда катушка индуктивности включается в цепь переменного тока, непрерывные изменения напряжения приводят к изменениям тока, которые в свою очередь генерируют то возрастающее, то убывающее магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует встречное напряжение в катушке индуктивности, и оно противодействует изменениям тока. В результате имеет место непрерывное противодействие протеканию тока. Это противодействие называется индуктивным сопротивлением (XL).
формула индуктивного сопротивления
Индуктивное сопротивление катушки или дросселя зависит от частоты приложенного переменного напряжения (f) и значения индуктивности (L) в генри. Для вычисления индуктивного сопротивления, выражаемого в омах, служит простая формула:
Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте и индуктивности. Если известно индуктивное сопротивление, путем преобразования основной формулы может быть найдена или частота, или индуктивность, как показано ниже:
формула полного сопротивления
Вспомните, что чистых индуктивностей нет, поскольку катушки индуктивности сделаны с использованием проволоки, которая имеет сопротивление. Полное сопротивление, оказываемое катушкой индуктивности переменному току, представляет собой, следовательно, комбинацию индуктивного сопротивления и обычного (активного) сопротивления. Это комбинированное противодействие известно как полное сопротивление (или импеданс). Полное сопротивление может быть вычислено при помощи формулы:
Вспомните, что индуктивность приводит к запаздыванию тока относительно напряжения. По
этой причине напряжения на катушке индуктивности и на резисторе сдвинуты по фазе на 90 градусов друг относительно друга. Это как раз и не позволяет нам просто сложить вместе индуктивное сопротивление и активное, сопротивление, чтобы получить величину импеданса.
Если известно полное сопротивление, а индуктивное сопротивление или активное сопротивление неизвестно, предыдущая формула может быть преобразована для их нахождения следующим образом:
Если известно полное сопротивление индуктивной схемы, Вы можете рассчитать ток в схеме, если Вы знаете приложенное напряжение. Это осуществляется применением закона Ома:
I=V/Z
Естественно, эта формула также может быть преобразована для вычисления двух других переменных, если это потребуется:
z=v/I V=IZ
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы познакомитесь с эффектом индуктивности в схеме переменного тока.
ПРОЦЕДУРА
1. Измерьте сопротивление обмотки катушки индуктивности при помощи мультиметра.
Сопротивление постоянному току =____ Ом
2. Присоедините катушку индуктивности 100 мГн к сигнал-генератору, формирующему напряжение размаха 4 Vpp с частотой 400 Гц.
3. Теперь измерьте фактическое значение тока первичной обмотки. Вспомните, что амперметр должен включаться последовательно со схемой для выполнения измерения. Подключите мультиметр для измерения переменного тока. Убедитесь, что генератор продолжает формировать 4 Vpp.
Is= _____ МА
4. Используя информацию, которую Вы собрали
в предыдущих шагах, и формулы, приведенные в вводной части, рассчитайте полное сопротивление схемы.
Z = _____ Ом
5. Используя информацию, которую Вы собрали в предыдущих шагах, и формулы, приведенные в вводной части, рассчитайте индуктивность (L) катушки. L = _____ мГн
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. При увеличении частоты переменного тока, пропускаемого через катушку индуктивности, индуктивное сопротивление:
а) возрастает,
б) уменьшается,
в) остается без изменения.
2. При уменьшении величины индуктивности в схеме индуктивное сопротивление:
а) возрастает,
б) уменьшается,
в) остается без изменения.
3. При уменьшении сопротивления катушки индуктивности ее полное сопротивление:
а) возрастает,
б) уменьшается,
в) остается без изменения.
4. Единицей измерения для величины индуктивного сопротивления является:
а) генри,
б) фарада,
в) ватт,
г) ом.
5. Катушка индуктивности имеет (активное) сопротивление 120 Ом. Когда к катушке прикладывается переменное напряжение 24 В с частотой 60Гц, протекает ток 111 мА. Значение индуктивности составляет приблизительно:
а) 0, 12Гн,
б) 0, 35 Гн,
в) 0, 48 Гн,
г) 1, 2 Гн.
Ф.1 Формула индуктивного сопротивления
Ф.2 Определение частоты или индуктивности
Ф.3 Формула полного сопротивления
Ф.4 Определение индуктивного или активного сопротивления
4. Работа трансформатора
ЭКСПЕРИМЕНТ 19 Работа трансформатора
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете объяснить работу трансформатора в схеме переменного тока и рассчитать значения коэффициента трансформации.
Необходимые принадлежности
* Двухканальный осциллограф
* Цифровой мультиметр
* Силовой трансформатор
* Генератор, функций / сигнал-генератор
* Элементы:
резистор 100 Ом, резистор 1 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Трансформатор — это электронный компонент с одной или несколькими проволочными обмотками обычно на стальном сердечнике или на каркасе. Трансформатор имеет назначение передавать электрическую энергию из одной схемы в другую посредством магнитного поля. Трансформаторы используются для повышения или понижения напряжения, а также для согласования полного сопротивления.
Схема трансформатора
На рисунке 19-1 представлена типичная принципиальная схема трансформатора. Когда переменное напряжение полается на левую на схеме (первичную) обмотку, в ней протекает ток. Ток создает переменное магнитное поле, которое пересекает витки правой на схеме (вторичной) обмотки. Хотя физический контакт между двумя этими обмотками отсутствует, магнитное поле индуцирует (наводит) напряжение во вторичной обмотке. Это напряжение может использоваться затем для питания другой схемы или цепи.
Рис. 19-1.
Величина напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке, зависит от количества витков в каждой обмотке. Отношение количества витков во вторичной обмотке (Ns) к количеству витков в первичной обмотке (Np) называется коэффициентом трансформации и выражается математически следующим образом:
Коэффициент трансформации = N = Ns/Np
Определение напряжения
Вы можете определить величину напряжения, создаваемого во вторичной обмотке (Vs), простым
умножением напряжения, подводимого к первичной обмотке (Vp), на коэффициент трансформации. Эта формула такова:
Vs=Vp(Ns/Np)
Если коэффициент трансформации больше 1, напряжение на вторичной обмотке будет больше, чем напряжение на первичной обмотке: повышающий трансформатор. Если коэффициент трансформации меньше 1, напряжение на вторичной обмотке будет меньше, чем напряжение на первичной обмотке: понижающий трансформатор. Коэффициент трансформации и напряжения на обмотках связаны следующим образом:
N= Ns/Np =Vs/Vp
Определение токов. в первичной и вторичной обмотках
Поскольку подводимая мощность трансформатора почти одинаковое выходной мощностью, коэффициент трансформации может быть использован также для определения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора (Iр и Is). Здесь имеет место обратная зависимость, как показывает следующее выражение:
Ip/Is=Ns/Np,
Соединения трансформаторной обмотки могут бытъ такими, что выходное напряжение будет в фазе с входным напряжением или различаться по фазе на 180° с ним. Фаза может быть; изменена простым обращением соединений с одной обмоткой. Если соединения трансформатора выполнены
таким образом, чтобы формировать сдвиг по фазе на 180°, говорят, что напряжение на вторичной обмотке этого трансформатора инвертировано.
Некоторые трансформаторы имеют отводы от обмотки, чтобы обеспечить несколько выходных напряжении. Обычным соединением является отвод от средней точки (СТ) вторичной обмотки, который обеспечивает формирование двух напряжений, равных половине полного напряжения на вторичной обмотке (см. рис. 19-1).
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы познакомитесь с работой трансформатора. Вы научитесь также измерять напряжения трансформатора и рассчитывать коэффициент трансформации.
ПРОЦЕДУРА
1. Подключите первичную обмотку (черные выводы) трансформатора к выходу сигнал-генератора. Подайте синусоидальное напряжение 100 Гц. Установите величину напряжения на первичной обмотке 10Vpp. Контролируйте сигнал на экране осциллографа.
2. Обратите внимание на три других вывода трансформатора. Два из них имеют один и тот же цвет, обычно желтый или красный. Это выводы от вторичной обмотки. Третий провод имеет другой цвет, обычно синий, и представляет собой отвод от средней точки обмотки. ПРИМЕЧАНИЕ: Концы проводов, по-видимому, неизолированы, так что будьте осторожны, чтобы концы не касались друг друга, в противном случае может иметь место короткое замыкание.
Если выводы вторичной обмотки изолированы, снимите приблизительно 1/2 дюйма изоляции с каждого конца.
3. Включите сигнал-генератор. Используя Ваш мультиметр, измерьте переменное напряжение, создаваемое на двух желтых или красных выводах вторичной обмотки. Не прикасайтесь к выводам при выполнении этого подключения. Запишите полученное напряжение;
Напряжение на вторичной
обмотке (Vs)= ________ В
4. При выполнении Ваших измерений измерьте напряжение между синим выводом и каждым из желтых выводов. Запишите эти значения:
Напряжение между синим выводом
и первым желтым выводом = __________ В
Напряжение между синим выводом и,вторым желтым выводом ==_____ Б
5. Используя полученные Вами в шагах 1 и 3 данные, рассчитайте коэффициент трансформации данного трансформатора,а также токи в первичной и вторичной обмотках. Предполагайте, что нагрузка во вторичной обмотке составляет 100 Ом. Коэффициент трансформации =______
Ip=_____
Is=———————
Какой это трансформатор, повышающий или понижающий?
6. Подключите к выводам вторичной обмотки резистор 1000м. Снова измерьте напряжение на вторичной обмотке. Vs=______В
7. Подключите мультиметр последовательно с вторичной обмоткой. Измерьте ток. 1s = _______ мА
8. Рассчитайте ток в первичной обмотке. 1р = ___ мА
9. Измерьте ток в первичной обмотке. Ip= _______ мА
10.Покажите на экране двухканального осциллографа напряжение на первичной обмотке и напряжение на вторичной обмотке. Какова фазовая зависимость между напряжением на первичной обмотке и напряжением на вторичной обмотке?
11 Обратите (реверсируйте) соединения вторичной обмотки. Какова теперь фазовая зависимость между напряжением на первичной обмотке и напряжением на вторичной обмотке?
12.Отключите резистор 1000м. Реверсируйте первичную и вторичную обмотки. Используйте желтые или красные выводы в качестве выводов первичной обмотки и подключите их к сигнал-генератору. Подключите резистор 1 кОм к вторичной обмотке (теперь это черные выводы).
13.Установите сигнал-генератор на формирование напряжения с размахом 1'2 В на первичной обмотке. Измерьте напряжение на вторичной обмотке:
Vs=_______В
Какой это трансформатор, повышающий или понижающий?
14.Рассчитайте коэффициент трансформации, а также токи в первичной и вторичной обмотках. N =______
Ip=______
Is=_______
15.Подключите мультиметр последовательно с нагрузкой 1 кОм. Измерьте ток во вторичной обмотке.
Is=_______ мА
16.Измерьте ток в первичной обмотке. 1р = _______ мА
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Трансформатор имеет 1600 витков во вторичной и 500 витков в первичной обмотке. Какого типа этот трансформатор?
а) повышающий,
б) понижающий.
2. Если к первичной обмотке трансформатора, описанного в шаге 6 процедуры, прикладывается напряжение 120 В, каким будет напряжение на вторичной обмотке?
а) 37,5 В,
б) 120 В,
в)384 В,
г) 462 В.
3. В данном эксперименте, если к вторичной обмотке трансформатора в шаге 6 прикладывается напряжение 120 В, какое напряжение Вы измерите в таком случае на первичной обмотке?
а) 14 В.
б) 120 В,
в) 134 В,
г) 1028 В.
4. Переменное напряжение 240В прикладывается к первичной обмотке трансформатора. Напряжение на вторичной обмотке составляет 48 В. Тогда коэффициент трансформации равен:
а) 0,12;
6)0,2;
в) 1,8;
г) 5.
5. Если трансформатор из вопроса 4 имеет отвод от средней точки, каково напряжение на одной половине вторичной обмотки?
а) 24 В,
б) 48 В,
в) 240 В,
г) 600 В.
Рис. 19-1. Схема трансформатора
5. Конденсаторы и переменный ток
ЭКСПЕРИМЕНТ 20 Конденсаторы и переменный ток
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать и измерять токи и напряжения в последовательных и параллельных емкостных цепях.
Необходимые принадлежности
* Осциллограф
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Генератор функций
* Источник постоянного напряжения
* Элементы:
один конденсатор 0, 01 мкф, один резистор, 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Когда конденсатор используется в цепи переменного тока, он оказывает определенное противодействие току, которое называется емкостным сопротивлением. Емкостное сопротивление, подобно индуктивному сопротивлению, противодействует протеканию тока, но только в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление измеряется в омах и зависит от частоты переменного тока и от емкости конденсатора. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте (f) и емкости (С). Это
емкостное сопротивление может быть рассчитано при помощи формулы:
Обычно конденсаторы комбинируются с резисторами и другими компонентами в различные последовательные и параллельные цепи для создания фильтров, фазовращателей, цепей связи и прочих схем. Одной из наиболее распространенных конфигураций является последовательная резистивно-емкостная цепь, показанная на рисунке 20-1.
Рис. 20-1.
Исходное напряжение синусоидальной формы (Vs)прикладывается к резистору и конденсатору, включенным последовательно. Полное противодействие протеканию тока в этой цепи является комбинацией емкостного сопротивления и обычного (активного) сопротивления. Резисторы и конденсаторы функционируют различным образом, и поскольку конденсатор порождает сдвиг фаз в цепи на 90 градусов, нельзя непосредственно складывать сопротивление резистора и емкостное сопротивление, чтобы подсчитать общее сопротивление протеканию тока, которое называется полным сопротивлением или импедансом (Z). Для получения полного сопротивления используется приведенная ниже формула:
Теорема Пифагора и полное сопротивление
Это известная теорема Пифагора, используемая для решения прямоугольных треугольников. Сопротивление, емкостное сопротивление и полное сопротивление могут быть представлены сторонами прямоугольного треугольника, как показано на рисунке 20-2А.
Рис. 20-2.
В последовательной цепи один и тот же ток (I) протекает через все компоненты. Это означает,
что ток через конденсатор имеет ту же величину, что и ток через резистор, причем эта величина равна величине тока, потребляемого от источника напряжения. Поскольку ток общий для всех компонентов, мы можем использовать закон Ома и умножить величину тока на величину сопротивления, емкостного сопротивления и полного сопротивления, чтобы вычислить напряжения в цепи.
IR=Vr
IXc= Vc
IZ = Vs
Следовательно, мы можем снова нарисовать треугольник, используя напряжения, полученные нами указанным выше образом (см. рис. 20-2Б). Теперь треугольник представлен напряжением на сопротивлении (Vr), напряжением на конденсаторе (Vc) и напряжением источника питания (Vs). Закон Кирхгофа говорит о том, что сумма падении напряжения на компонентах последовательной цепи равна напряжению источника питания. Это означает, что в том случае, если мы сложим напряжение на резисторе и напряжение на конденсаторе, мы должны получить в результате напряжение источника питания. Однако, как можно видеть на рисунке 20-2Б, напряжения не совпадают по фазе друг с другом. По этой причине напряжения не могут складываться друг с другом непосредственно, и мы должны использовать теорему Пифагора для решения прямоугольного треугольника. Подставляйте поэтому значения из рисунка 20-2Б в формулу
в соответствии с теоремой Пифагора и находите напряжение источника питания следующим образом:
Итак, чтобы найти напряжение источника питания, просто измерьте напряжение на резисторе и напряжение на конденсаторе, возведите каждое значение в квадрат и сложите полученные значения друг с другом. После этого для получения значения напряжения источника питания извлеките корень квадратный из полученной суммы.
Не забывайте, что при известном напряжении источника питания и одном из других напряжений Вы можете вычислить неизвестное напряжение при помощи простого преобразования приведенной выше формулы. Тогда можно получить еще два варианта указанной формулы:
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы убедитесь, что конденсатор оказывает противодействие переменному току. Затем Вы соберете последовательную резистивно-емкостную схему, аналогичную приведенной на рисунке 20-2, подсчитаете, а потом измерите все токи и напряжения для проверки существа сказанного ранее.
ПРОЦЕДУРА 1: измерение сдвига фаз
Чтобы завершить данный эксперимент. Вам потребуется измерить сдвиг фаз между двумя
синусоидальными сигналами. Для этого выведите два сигнала на двухканальный осциллограф. Один сигнал, верхняя осциллограмма, используйте в качестве опорного и подключите на вход канала 1 или А. Другой сигнал подведите к каналу 2 или В. После этого проделайте следующее:
1. Отрегулируйте скорость горизонтальной развертки, чтобы можно было видеть один период синусоидального сигнала. Установите непрерывную развертку в состояние калибровки CAL.
2. Измерьте период (t) синусоидальных сигналов, как описано в эксперименте 16.
3. Подсчитайте количество делений между двумя смежными или тремя последовательными положительными пиками синусоидальных сигналов.
4. Рассчитайте смещение во времени (t,) умножением количества делений на настройку скорости горизонтальной развертки.
5. Вычислите сдвиг фаз в градусах при помощи следующей формулы:
360 t1/t градусов
Пример
Период синусоидального сигнала равен 250 мкс. Промежуток между двумя смежными положительными пиками двух синусоидальных сигналов составляет 2,6 деления. Скорость развертки составляет 10 мкс/дел. Смещение во времени равно:
t1= 2,6 х 10 = 26 микросекунд
Сдвиг фаз равен:
360(26)/250 = 37,44 градуса
Процедура 2: резистивно-емкостная схема
1. Соберите резистивно-емкостную схему, показанную на рисунке 20-3.
Рис. 20-3.
2. Отрегулируйте частоту генератора на 600 Гц. Установите величину размаха напряжения на выходе генератора 10В.
3. Проделайте следующие измерения как при помощи осциллографа, так и при использовании мультиметра:
Осциллограф Мулътиметр Vr————В Vr=____В Vc—————В Vc=____В Объясните, почему они различны, но эквиваленты. Нарисуйте прямоугольный треугольник напряжений.
4. Выполните следующие вычисления для схемы на рисунке 20-3.
I=_____мА
Z =_____ Ом
5. Выполните измерение сдвига фаз между входным напряжением и выходным напряжением. _______ градусов
Опережает выходное напряжение или запаздывает по сравнению с выходным напряжением. Почему?
6. Измените входную частоту на 1000 Гц. Убедитесь, что величина размаха напряжения генератора все еще составляет 10 В. Повторите шаги 3, 4 и 5. Сделайте вывод о том, как полное сопротивление и ток варьируются в зависимости от частоты, путем сравнения с Вашими значениями, полученными в шаге 4.
7. Поменяйте местами позиции резистора и конденсатора. Повторите шаг 5. Опережает выходное напряжение или запаздывает по сравнению с выходным напряжением? ______ градусов
8. Найдите частоту, при которой R = Хc. в данной схеме. Сначала частоту вычислите. Затем, используя осциллограф и генератор звуковой частоты, выполните измерения, чтобы проверить Ваши расчеты.
f=_____Гц
Объясните, какую процедуру Вы использовали и почему.
9. Соберите параллельную резистивно-емкостную схему, показанную на рисунке 20-4. Вычислите ее общее активное сопротивление (Rt), общую емкость (Сt) и полное сопротивление (импеданс). Нарисуйте треугольник токов.
Rt = _____ Ом
Сt = _____ мкФ
Z =_____ Ом
Рисунок 20-4.
10.Приложите к схеме напряжение с размахом 10 В и с частотой 200 Гц. Измерьте полный ток в схеме, используя мультиметр. Вычислите импеданс схемы (полное сопротивление). Z=_____Ом
11.Каков сдвиг фаз между полным током и приложенным напряжением? ________градусов
12.Во всех вышеприведенных шагах объясните различия между измеренными и расчетными значениями.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. При повышении частоты сигнала, приложенного к последовательной резистивно-емкостной схеме, напряжение на конденсаторе соответственно:
а) увеличивается,
б) уменьшается,
в) остается тем же,
г) падает до нуля.
2. При уменьшении емкости конденсатора в последовательной резистивно-емкостной схеме ток схемы соответственно:
а) увеличивается,
б) уменьшается,
в) остается тем же,
г) падает до нуля.
3. Напряжение на резисторе в последовательной резистивно-емкостной схеме имеет значение 3 В. Напряжение на конденсаторе имеет значение 4 В. Напряжение источника питания равно тогда:
а) 1 В,
б) 3,5 В,
в) 5 В,
г) 7 В.
4. Напряжение источника питания в последовательной резистивно-емкостной схеме имеет значение 6 В. Тогда ток в схеме имеет величину:
а) 0.2 Ом,
б) 2 Ом,
в) 20 Ом,
г) 200 Ом.
5. Напряжения на компонентах в последовательной резистивно-емкостной схеме имеют значения: Vr = 5 В и Vc = 4 В. Резистор имеет сопротивление 1,5 кОм. Частота равна 2 кГц. Какова емкость конденсатора?
а) 0,018 мкФ,
б) 0,047 мкФ,
в) 0,066 мкФ,
г) 0,075 мкФ.
Рис. 20-1. Последовательная резистивно-емкостная цепь
Рис. 20-2. Сопротивление, емкостное сопротивление и полное сопротивление могут быть представлены сторонами прямоугольного треуго
Рис. 20-3. Простая резистивно-емкостная схема
Рисунок 20-4. Параллельная резистивно-емкостная схема
Ф. 1 Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте (f) и емкости (С)
Ф. 2. К определению полного сопротивления или импеданса (Z)
Ф. 3. Нахождение напряжения источника питания
Ф. 4. Нахождение напряжения при помощи простого преобразования
6. Резистивно-индуктивно-емкостные схемы
ЭКСПЕРИМЕНТ 21 Резистивно-индуктивно-емкостные схемы
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать и измерять все токи, напряжения и полные сопротивления в последовательных LCR-схемах (резистивно-индуктивно-емкостных схемах).
Необходимые принадлежности
* Осциллограф
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Генератор функции
* Источник постоянного напряжения
* Элементы:
одна катушка индуктивности 100 мГн, один конденсатор 0,1 мкФ, один резистор 4700м.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Резистивно-индуктивно-емкостная схема (называемая также LCR-схемой или RLC-схемои) скомбинирована из сопротивления, индуктивности и емкости. Всякий раз, когда катушки и конденсаторы комбинируются в схеме переменного тока,. их реактивные сопротивления гасят друг друга.
Вспомните: катушка индуктивности приводит к запаздыванию тока по отношению к приложенному напряжению на 90 градусов; тогда как конденсатор приводит к тому, что ток опережает напряжение на 90 градусов.
Как результат этого катушка индуктивности аннулирует действие конденсатора, так как их действия противоположны. Аналогично в последовательной схеме, состоящей из индуктивности и емкости, компонент с большей величиной реактивного сопротивления подавляет меньшее реактивное сопротивление.
Рис. 21-1.
Пример. В схеме на рисунке 21-1 катушка индуктивности имеет индуктивное сопротивление 100 Ом, а конденсатор имеет емкостное сопротивление 750м, поэтому емкостное сопротивление аннулируется полностью, и поведение схемы будет таким, как будто она обладает общим индуктивным сопротивлением 100 — 75 = 25 Ом. Это
комбинированное общее (эффективное) реактивное сопротивление и используется при расчете полного сопротивления схемы. Поведение схемы имеет индуктивный характер, поскольку XL, больше, чем Хc.
Определение полного сопротивления
Для получения полного сопротивления последовательной резистивно-индуктивно-емкостной схемы используется приведенная ниже формула:
Следовательно, имеем:
После того, как Вы узнаете полное сопротивление схемы, можно, естественно, рассчитать ток в схеме при помощи закона Ома, в предположении, что известно напряжение источника питания (Vs). Это выполняется при использовании; следующего выражения с подстановкой найденных выше значений:
I=V/Z
I = 100/55,9 = 1,79 А
После этого, зная, что ток в каждом компоненте один и тот же, Вы можете определить падения напряжения на каждом, компоненте. Это снова осуществляется при помощи закона Ома и следующих формул:
Vс = IR = 1,79(50) = 89,5 В
Vс = IXL = 1,79(100) = 179 В
VL= IXc =1,79(75) = 134,25 В
Как и в любой последовательной схеме, значения напряжений распределяются пропорционально значениям активного сопротивления и реактивных сопротивлений: на реактивных сопротивлениях большей величины падают напряжения большей величины. Не забывайте только, что вследствие сдвига фазы, обусловленного типом схемы. Вы не можете попросту складывать непосредственно падения напряжений на компонентах, чтобы получить общее напряжение источника питания. Необходимо при этом выполнять сложение векторных величин. На рисунке 21-2 показано, как это делается при использовании данных предыдущего примера.
Рис. 21-2.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы соберете последовательную резистивно-индуктивно-емкостную схему и сделаете все вычисления, необходимые для расчета схемы. После этого Вы выполните измерения для проверки Ваших расчетов.
ПРОЦЕДУРА
1.Измерьте активное сопротивление катушки индуктивности 100 мГн при помощи вашего мультиметра.
RL =_____Ом
2. Соберите схему, показанную на рисунке 21-3. Отрегулируйте частоту генератора на 1 кГц и установите величину размаха напряжения на выходе генератора 4 В.
Рис. 21-3.
3. Измерьте Vr, Vl, Vc и Q и запишите полученные значения в таблицу. Напомним, что 9 означает
сдвиг фазы тока или V по отношению к приложенному напряжению Vs. 4. Используя табличные данные, вычислите I и Z и запишите их в таблицу. Определите характер схемы (индуктивная или емкостная схема) и отметьте в таблице.
5. Увеличьте частоту генератора до 2 кГц. Сохраняйте величину размаха генератора равной 4 В.
6. Повторите шаги 3 и 4 при этой более высокой частоте. Запишите Ваши данные в таблицу.
7. Нарисуйте эквивалентные схемы для частоты I кГц и частоты 2 кГц и укажите эквивалентные значения реактивных компонентов в мкФ или в мкГн, как это необходимо.
8. Рассчитайте фактическую мощность (Р), рассеиваемую схемой при каждой частоте, и запишите эти значения в таблицу. Назовите компоненты, которые рассеивают мощность, и сделайте пояснения.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
I. Резистивно-индуктивно-емкостная схема имеет следующие компоненты: XL = 30 Ом, Хc = 42 Ом, R = 150м. Схема в общем является:
а) индуктивной, XL = 12 Ом,
б) индуктивной, ХL= 72 Ом,
в) емкостной, Хc= 72 Ом,
г) емкостной, Хc = 12 Ом.
2. В схеме, описанной в вопросе 1, наименьшее падение напряжения на:
а) резисторе,
б) катушке индуктивности,
в) конденсаторе.
3. Каково полное сопротивление (импеданс) схемы, описанной в вопросе I?
а) 15 Ом,
б) 19,2 Ом,
в) 72 Ом,
г) 87,5 Ом.
4. Последовательная резистивно-индуктивно-емкостная схема имеет индуктивный характер, если:
а) Хc > XL,
б) Хc > VL
в) VL > Vc, r)XL<Xc.
5. Конденсатор 0,02 мкФ и конденсатор 0,047 мкФ соединены параллельно. Общая эквивалентная емкость равна:
а) 0,0094 мкФ, 6)0,014 мкФ,
в) 0,0335 мкФ,
г) 0,067 мкФ.
Рис. 21-1. Принципиальная схема для определения параметров резистивно-индуктивно-емкостной схемы
Рис. 21-2. Сложение векторных величин
Рис. 21-3. Принципиальная схема для определения параметров резистивно-индуктивно-емкостной схемы
Таблица 1. К измерению параметров резистивно-индуктивно-емкостной схемы
Ф. 1. Полное сопротивление последовательной резистивно-индуктивно-емкостной схемы
Ф. 2. Пример расчета полного сопротивления последовательной резистивно-индуктивно-емкостной схемы
7. Резонанс
ЭКСПЕРИМЕНТ 22 Резонанс
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать резонансную частоту резистивно-индуктивно-емкостной схемы и выполнять измерения в схеме для определения существования условия резонанса в схеме.
Необходимые принадлежности
* Осциллограф
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Генератор функций
* Элементы:
одна катушка индуктивности 10 мГн, один конденсатор 0, 22 мкФ, один конденсатор 0, 47 мкФ, один резистор 100 Ом.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Резонанс — это такое состояние резистивно-индуктивно-емкостной схемы, когда индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление одинаковы. Поскольку эти реактивные сопротивления одинаковы, они полностью компенсируют друг друга. • При резонансе имеют место многие специальные эффекты. Например, в силу того, что реактивные
сопротивления полностью гасят друг друга, схема проявляет себя как полностью резистивная.
Вы сможете обнаружить резонансные схемы почти во всех типах электронного оборудования. Они широко используются для выполнения различных задач настройки и фильтрации в электронном оборудовании. В данном эксперименте Вы рассмотрите эффект резонанса как в параллельных, так и в последовательных схемах.
Последовательный резонансный контур
Последовательный резонансный контур представлен на рисунке 22-1. Вспомните, что при наличии резонанса в схеме индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление полностью компенсируют друг друга, и сопротивление току оказывает одно лишь активное сопротивление схемы. В такой схеме полное сопротивление попросту равно значению R плюс сопротивление постоянному току катушки. Главной характеристикой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Поскольку при резонансе в последовательном резонансном контуре полное сопротивление минимально, ток в контуре возрастает до пиковой величины. Эта большая величина тока при ее умножении на индуктивное сопротивление и на емкостное сопротивление дает очень высокие падения напряжения на катушке индуктивности и на конденсаторе. В действительности падения напряжения на катушке индуктивности и на конденсаторе
в условиях резонанса часто значительно превышают напряжение питания. Эти необычайно высокие при резонансе напряжения называются скачками напряжения при резонансе или резонансными повышениями напряжения.
Рис. 22-1. Параллельный резонансный контур
Параллельный резонансный контур представлен на рисунке 22-2. Конденсатор и катушка индуктивности соединяются параллельно друг с другом, и вся комбинация иногда соединяется последовательно с резистором. Поскольку при резонансе индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление полностью компенсируют друг друга, схема обнаруживает очень значительное активное сопротивление. В такой схеме полное сопротивление параллельного индуктивно-емкостного контура возрастает до многих тысяч Ом при резонансе. При частотах, превышающих или лежащих ниже резонансной частоты, полное сопротивление уменьшается.
Рис. 22-2.
Если Вы измерите линейный ток в резисторе, соединенном последовательно с параллельным резонансным контуром, Вы обнаружите, что ток достигает минимума в условиях резонанса. Это происходит вследствие того, что при резонансе полное сопротивление максимально,и,следовательно, это приводит к формированию минимальной величины тока через контур. При изменении частоты в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается, и линейный ток возрастает.
Полное сопротивление параллельного резонансного контура вычисляется на основании следующей формулы:
Z=L/CR
В этой формуле: R — сопротивление катушки индуктивности L. Например, если L = 2 мГн, С = 0,05 мкФ и R = 5 Ом, полное сопротивлений Z равно: '
Z = 2 х 10^-3 / (0,05 х 10 ^-6)(5)
Z = 8000 Ом
Вы можете также использовать такую формулу:
Z = Rw(Q^2 + 1)
где: Rw— это сопротивление обмотки катушки индуктивности и Q = Xl/Rw.
Краткое содержание
Как было указано ранее, в данном эксперименте Вы соберете последовательный резонансный контур и параллельный резонансный контур, а также познакомитесь с некоторыми из упомянутых эффектов. Вы практически рассчитаете резонансную частоту (fг ) при заданных значениях индуктивности и емкости. Это осуществляется при помощи следующей формулы:
fr = 1 / 2*3.14(LC)^0.5
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к рисунку 22-3. Рассчитайте резонансную частоту при заданных значениях, показанных на рисунке.
Рис. 22-3.
fr=______Гц
2. Прежде чем собирать схему, измерьте сопротивление катушки индуктивности. Это сопротивление оказывает влияние на полное сопротивление схемы.
Активное сопротивление катушки индуктивности = ____ Ом
ПРИМЕЧАНИЕ: Данные, полученные в шагах 3—11, должны заноситься в таблицу на рисунке 22-4, как указано ниже.
3. Вычислите полное сопротивление схемы при резонансе. Запишите Ваш результат.
Рис. 22-4.
4. Далее вычислите полный ток схемы. Запишите его величину.
5. Зная частоту входного сигнала, определите значения индуктивного и емкостного сопротивления. Используя резонансную частоту, которую Вы рассчитали в шаге 1, вычислите определите значения индуктивного и емкостного сопротивления при резонансе. Запишите Ваши результаты.
6. Теперь вычислите падения напряжения на каждом из компонентов схемы на базе значений, полученных в шаге 5. Запишите Ваши результаты.
7. Соберите схему, показанную на рисунке 22-3. При помощи регулятора амплитуды на генераторе функций сформируйте значение размаха напряжения 4 В.
8. При помощи осциллографа осуществляйте мониторинг (текущий контроль) напряжения на резисторе 1000м. Во время мониторинга напряжения добейтесь максимального значения напряжения настройкой регулятора частоты на генераторе функций. Выполняйте Ваши настройки медленно и позволяйте показаниям мультиметра установиться, прежде чем переходить к каждой новой настройке. ПРИМЕЧАНИЕ: настройка на максимальное значение — процесс очень медленный и утомительный, потратьте однако Ваше время, чтобы получить наиболее точные результаты. Продолжайте настройку до тех пор, пока Вы не получите это максимальное напряжение. В результате Вы получили настройку генератора функций на резонансную частоту схемы. Объясните, почему данная процедура используется для нахождения fr .
9. Выполните повторный контроль, чтобы убедиться, что размах выходного напряжения генератора функций составляет 4 В. Если необходимо, снова отрегулируйте выходное напряжение на это значение и повторите при этом шаг 8.
10.После того, как схема настроена в режим резонанса, измерьте падения напряжения на каждом из компонентов. Запишите их значения.
11.Сделайте разрыв в схеме в том месте, где конденсатор 0,22 мкФ соединяется с катушкой, как
Вы это делали в предыдущем эксперименте. Это позволит Вам включить в схему мультиметр для измерения тока в схеме. Переключите Ваш мультиметр для измерения переменного тока. Установите предел измерения 2 мА. Измерьте ток в схеме и запишите Ваш результат.
12. Теперь сравните Ваши расчетные и измеренные значения. Они должны быть одинаковыми или, по крайней мере, очень близкими. Объясните возможные различия.
13. В процессе измерения тока в последовательном резонансном контуре варьируйте выход генератора функций при помощи регулятора частоты. Поворачивайте ручку медленно против часовой стрелки для уменьшения частоты и замечайте влияние на величину тока. Регулировка частоты должна выполняться настолько медленно, чтобы Вы могли наблюдать за изменениями показания мультиметра, так как требуется несколько секунд, чтобы показания установились после каждого нового изменения частоты.
Далее поворачивайте ручку медленно в направлении по часовой стрелке для увеличения частоты и снова замечайте влияние на величину тока. При изменении частоты выше или ниже резонансной частоты Вы обнаружите значительные вариации тока. Во время наблюдения за этими вариациями определяйте сразу, каким образом частота влияет на ток схемы.
14. Снова соедините катушку и конденсатор 0, 22 мкФ.
15. Присоедините измерительные выводы осциллографа к конденсатору и к катушке индуктивности одновременно. Варьируйте частоту при. помощи регулятора частоты на генераторе функций, чтобы получить минимальный уровень напряжения. Когда будет достигнуто минимально возможное напряжение, схема настроена в резонанс. Заметьте положение указателя, регулятора частоты на генераторе функций. Объясните, что Вы здесь получили;
16. Удалите конденсатор 0, 22 мкФ из макетной панели и на его место установите конденсатор 0, 47 мкФ. Вычислите резонансную частоту этой новой комбинации.
fr=____Гц
При увеличении емкости в схеме до 0,47 мкФ резонансная частота:
_________ увеличивается
_________ уменьшается
17.Снова присоедините измерительные выводы осциллографа к комбинации конденсатора и катушки индуктивности. Варьируйте частоту при помощи регулятора частоты на генераторе функций, чтобы получить минимальный уровень напряжения. Когда будет достигнуто минимальное напряжение, заметьте то направление, в котором Вы повернули регулятор генератора функций. Частота в данном случае выше или ниже, чем раньше? _________ выше
_________ ниже
Соответствует это результатам, которые предсказаны Вами в шаге 16?
18.Соберите параллельный резонансный контур, схема которого представлена на рисунке 22-5.
Заметьте, что два конденсатора включены последовательно и их комбинация соединена параллельно с катушкой индуктивности. Это соединение образует параллельный резонансный контур, в котором два последовательно включенных конденсатора имеют единственное эквивалентное значение емкости. Затем параллельный резонансный контур соединен последовательно с резистором 1 кОм, и вся полученная комбинация подключена к генератору функций.
Рис. 22-5.
19. Вычислите резонансную частоту данной схемы. Индуктивность известна, но Вам требуется вычислить полную емкость схемы (Ст). Вспоминая, что Вы узнали ранее о последовательном включении конденсаторов, вычислите сначала полную емкость схемы. Запишите это значение. После этого вычислите резонансную частоту данной схемы и запишите Ваш результат в предусмотренное поле.
Ст = _______мкФ
fr=_______Гц
20.Используя формулу, приведенную ранее для полного сопротивления параллельного резонансного контура, найдите это полное сопротивление. Используйте значение сопротивления катушки, которое Вы измерили в шаге 2.
Z =_______ Ом
21.Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал с частотой 3 кГц. При помощи регулятора амплитуды на генераторе функций сформируйте значение размаха напряжения 4 В.
22.Осуществляйте мониторинг напряжения на резисторе 1 кОм при помощи осциллографа. Затем, варьируя частоту при помощи ручки регулятора частоты на генераторе функций, добейтесь минимального напряжения. Как и раньше, делайте это медленно и шагами. Слегка измените частоту и заметьте новое показание напряжения после того, как оно стабилизируется. Продолжайте настройку вперед и назад, пока Вы не добьетесь такой частоты, при которой напряжение минимально. Вы получили при этом резонансную частоту. Запишите в этот момент величину напряжения, которое Вы измерили на резисторе 1 кОм. Vr=_______В
23. Зная значение величины напряжения на резисторе с известным сопротивлением, Вы можете теперь вычислить величину полного тока схемы, используя закон Ома. Сделайте теперь вычисление и запишите значение величины тока.
I =_______ мА
24.Далее измерьте падение напряжения на параллельном резонансном контуре. Самый простой
способ сделать эти — просто прикоснуться испытательными выводами параллельно катушке индуктивности.
VLc=_______В
25.Зная значение величины напряжения на параллельном резонансном контуре и ток, который Вы нашли вычислением в предыдущем шаге, Вы можете теперь вычислить величину полного сопротивления индуктивно-емкостного контура. Сделайте теперь это вычисление и запишите Ваш результат.
Z=_______Ом
Как это значение соответствует значению, которое Вы нашли в шаге 20?
26.Сложите падение напряжения на резисторе 1 кОм и падение напряжения на параллельном резонансном контуре. Равна ли приблизительно эта сумма величине напряжения источника? Объясните Ваш ответ.
27.Соедините измерительные выводы вашего осциллографа с параллельным контуром, прикасаясь ими к двум выводам катушки индуктивности. Вращайте ручку регулятора частоты на генераторе функций в одну и в другую сторону от резонансной частоты и следите за изменением выходного напряжения. Ручку поворачивайте медленно из полностью выведенного в направлении против часовой стрелки положения в полностью выведенное в направлении по часовой стрелке положения, а затем назад, и так несколько раз, чтобы заметить эффект. Объясните вариации напряжения, которые Вы наблюдаете.
28.Выключите генератор функции, но схему пока не разбирайте.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Если конденсаторы 0,22 мкф и 0,47 мкФ подключены параллельно к катушке индуктивности 10 мГн, резонансная частота контура составляет:
а)1158 Гц,
б)1406 Гц,
в) 1917 Гц,
г) 2323 Гц.
2. Резонанс в последовательном контуре обнаруживается по:
а) максимальному току,
б) максимальному полному сопротивлению,
в) минимальному току,
г) нулевому току.
3. При резонансе параллельный резонансный контур ведет себя как:
а) резистор с малым сопротивлением,
б) резистор с большим сопротивлением,
в) катушка индуктивности,
г) конденсатор.
4. Каково полное сопротивление параллельного резонансного контура с L = 5 мГн, С == 0,001 мкФ и R =40м?
а) 84 кОм,
б) 125 кОм,
в) 840 кОм,
г) 1,25 МОм.
5. При резонансе в последовательной резистивно-индуктивно-емкостной схеме полное сопротивление равно:
а) XL или Xc
б) сопротивлению катушки индуктивности,
в) XL + Xc,
г) сопротивлению катушки индуктивности плюс сопротивление резистора.
Рис. 22-1. Последовательный резонансный контур
Рис. 22-2. Параллельный резонансный контур
Рис. 22-3. К расчету резонансной частоты последовательного контура
Рис. 22-4. Таблица для записи результатов
Рис. 22-5. Измерения параллельного резонансного контура
8. Фильтры нижних и верхних частот
ЭКСПЕРИМЕНТ 23 Фильтры нижних и верхних частот
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать частоту отсечки резистивно-емкостных фильтров нижних и верхних частот, а также познакомитесь с влиянием изменений частоты на выходное напряжение.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Генератор функций
* Элементы:
один дисковый конденсатор 0.01 мкФ, один резистор 15 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Фильтр — это частотночувствительная схема, выходная амплитуда которой варьирует в зависимости от частоты на входе.
Фильтр нижних частот — это такой фильтр, который пропускает частоты меньше некоторой определенной частоты отсечки (fco), но подавляет те частоты, которые больше частоты отсечки. Фильтр верхних частот — это такой фильтр, который пропускает частоты, которые больше некоторой определенной частоты отсечки, но подавляет
те частоты, которые меньше частоты отсечки. На рисунке 23-1 представлены выходные характеристики фильтра нижних частот и фильтра верхних частит.
Рис. 23-1.
Фильтры нижних и верхних частот могут быть реализованы различными способами. Простейший фильтр — это резистор и конденсатор, соединенные между собой, как показано на рисунке 23-2.
Рис. 23-2.
Характеристики фильтров
Ключевой характеристикой фильтра нижних частот или фильтра верхних частот является его частота отсечки (fco). Как Вы можете видеть на основании рисунка 23-1, частота отсечки — это такая частота, где выходное напряжение фильтра падает до 70,7% от его максимально возможного выходного напряжения. В фильтре нижних частот выходное напряжение остается относительно постоянным по мере того, как возрастает входная частота. С приближением к частоте отсечки выходное напряжение начинает уменьшаться. Когда достигается частота отсечки,'выходное напряжение понижается до 70,7% от его максимально возможного значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере возрастания частоты.
В фильтре верхних частот выходное напряжение имеет максимальное значение, когда входная частота с запасом превышает частоту отсечки. Когда входная частота постепенно уменьшается, выходное напряжение понижается по мере приближения к частоте отсечки. Когда достигается частота отсечки, выходное напряжение понижается до 70,7% рт его максимально возможного-значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере дальнейшего уменьшения входной частоты.
В фильтре нижних частот сигналы с частотой
ниже fco пропускаются без ослабления или лишь с незначительным ослаблением; сигналы с,частотой выше fco быстро ослабляются. В фильтре верхних частот сигналы с частотой ниже fco значительно подавляются, тогда как сигналы с частотой
выше fco, пропускаются с минимальным противодействием. Снова обратитесь к рисунку 23-1.
Частота отсечки простого резистивно-емкостного фильтра, подобного показанному-на рисунке 23-2, вычисляется при помощи следующей формулы:
fco = 1/2*3.147RC
Пример: Если R = 3,3 кОм и С = 0,15 мкф, частота отсечки равна:
fco = 1/6,28(3300)(0,15 х 10^-6)
fco= 322 Гц
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы познакомитесь с действием резистивно-емкостных фильтров верхних и нижних частот. Поскольку в настоящий момент у Вас нет средств для точного измерения частоты, может быть получено лишь общее представление о работе фильтра. Тем не менее, Вы сможете четко показать, что указанные фильтры действительно пропускают некоторые частоты с минимальным ослаблением, тогда как другие частоты ими сильно подавляются.
Рис. 23-3.
ПРОЦЕДУРА
1. Вычислите частоту отсечки фильтра нижних частот, показанного на рисунке 23-3.
fco______Гц
2. Соберите схему, показанную на рисунке 23-3,
при помощи Вашей макетной панели. Подключите резистивно-емкостной фильтр ко входу генератора функций.
3. Установите регулятор частоты генератора функций на частоту 10 Гц. После этого поворачивайте регулятор амплитуды, чтобы подать напряжение с размахом 4 В к схеме.
4. Далее измерьте выходное напряжение фильтра на конденсаторе. Запишите полученное значение.
Выходное напряжение фильтра = ___ В
5. Подключите осциллограф к конденсатору фильтра. При наблюдении за выходным напряжением поворачивайте ручку регулятора частоты, чтобы увеличить частоту до 1000 Гц. Увеличивается или уменьшается выходное напряжение?
________ увеличивается
_________ уменьшается
6. Основываясь на входном значении в шаге 3, вычислите значение выходного напряжения при частоте отсечки.
Напряжение на частоте
отсечки = ________ В
7. Подавайте при помощи генератора функций синусоидальный сигнал в схему на каждой из частот, указанных в приведенной ниже таблице Установите размах напряжения на входе схемы равным 4 В. В процессе изменения частот
снова проконтролируйте входное напряжение, чтобы убедиться, что оно все еще имеет размах 4 В. Измеряйте выходное напряжение фильтра на каждой частоте и записывайте Ваши результаты в следующую таблицу.
|
Входная частота |
Выходное напряжение |
|
10Гц |
|
|
100 Гц |
|
|
200 Гц |
|
|
500 Гц |
|
|
1000 Гц |
|
|
2000 Гц |
|
|
5000 Гц |
|
|
10кГц |
|
|
20 кГц |
8.. Постройте на основании Ваших данных график частотной характеристики на полулогарифмической бумаге.
9. Теперь соберите схему фильтра верхних частот, показанного на рисунке 23-4.
10.Определите частоту отсечки фильтра верхних частот на рисунке 23-4.
fco______Гц
11.Настройте частоту регулятором генератора функций на 10 Гц и величину размаха напряжения на 4 В.
Рис. 23-4.
12.Наблюдайте выходное напряжение фильтра на резисторе 1 кОм. Наблюдая за выходным напряжением на экране осциллографа, повышайте частоту на выходе генератора функций вплоть до 10кГц. Заметьте, как изменяется выходное напряжение по мере повышения частоты. Объясните эти изменения.
13.Как изменяется выходное напряжение с повышением частоты?
__________ увеличивается
__________ уменьшается
14. Подавайте при помощи генератора функций синусоидальный сигнал в схему на каждой из частот, указанных в приведенной ниже таблице. Установите размах напряжения на входе схемы равным 5 В. В процессе изменения частоты при необходимости поддерживайте на входе схемы величину размаха 5 В. Измеряйте выходное напряжение фильтра на резисторе для каждой частоты и записывайте Ваши результаты в таблицу.
|
Входная частота |
Выходное напряжение |
|
10 Гц |
|
|
100 Гц |
|
|
200 Гц |
|
|
500Гц |
|
|
1000 Гц |
|
|
2000 Гц |
|
|
5000 Гц |
|
|
10 кГц |
|
|
20кГц |
15.Постройте на основании Ваших табличных данных график частотной характеристики на полулогарифмической миллиметровой бумаге, как Вы это делали в случае фильтра нижних частот.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Резистивно-емкостной фильтр нижних частот имеет частоту отсечки 23222 Гц. Сигнал с частотой 5,5 кГц при этом:
а) пропускается фильтром,
б) подавляется фильтром.
2. Резистивно-емкостной фильтр верхних частот имеет частоту отсечки 15 кГц. Какой сигнал при этом пропускается? а) 6,7 кГц,
б) 36 кГц.
3. Сигнал на входе фильтра нижних частот имеет размах 5 В. Тогда выходное напряжение на резонансной частоте будет равняться:
а) 3,5 В,
б) 4,5 В,
в) 5 В,
г) 7 В.
4. Фильтр нижних частот имеет компоненты с величинами R = 4,7 кОм и С = 0,1 мкФ. Частота отсечки такого фильтра равна:
а) 273 Гц,
б) 339 Гц,
в) 469 Гц,
г) 501 Гц.
5. Внутри мультиметра имеется внутренняя схема, которая заставляет мультиметр действовать как:
а) фильтр нижних частот, 6} фильтр верхних частот.
Рис. 23-1. Выходные характеристики фильтра нижних частот и фильтра высоких частот
Рис. 23-2. Простейший фильтр — это резистор и конденсатор
Рис. 23-3. Эксперимент для оценки характеристик фильтра нижних частот
Рис. 23-4. Эксперимент для оценки характеристик фильтра высоких частот
9. Полосовой фильтр и режекторный фильтр
ЭКСПЕРИМЕНТ 24 Полосовой фильтр и режекторный фильтр
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете продемонстрировать работу индуктивно-емкостного полосового фильтра и резистивно-емкостного режекторного фильтра.
Необходимые принадлежности
* Осциллограф
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Генератор функции
* Элементы:
четыре конденсатора 0,1 мкФ, один конденсатор 0,47 мкФ, одна катушка индуктивности 10 мГн, один резистор 100 Ом, четыре резистора 15 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Полосовой фильтр — это частотночувствительная схема, которая пропускает узкий диапазон. частот в окрестности центральной резонансной частоты (fr)
Все другие частоты ниже или выше узкой полосы пропускания значительно подавляются. Типичная характеристика полосового фильтра показана на рисунке 24-1А.
Рис. 24-1.
Режекторный фильтр представляет собой противоположность полосовому фильтру. Он подавляет или устраняет сигналы, частоты которых попадают в узкий диапазон с центральной частотой fc. Все частоты выше и ниже центральной частоты фильтр пропускает с минимальным ослаблением (см. рис. 24-1 В). Режекторный фильтр иногда называют вырезающим фильтром, поскольку этот фильтр используется для вырезания или режекции мешающего сигнала одной частоты.
Краткое содержание
Имеется несколько различных способов схемной реализации полосового фильтра и режекторного фильтра. Индуктивно-емкостные резонансные схемы могут комбинироваться различными методами для создания обоих типов фильтров. В данном эксперименте Вы познакомитесь с полосовым фильтром.
Режекторный фильтр может быть реализован и на базе индуктивно-емкостных схем. Однако в данном эксперименте Вы познакомитесь с популярным и широко используемым двойным Т-образным мостовым фильтром. Это резистивно-емкостной режекторный фильтр, способный подавлять определенную частоту и частоты в ее окрестности. Центральная частота рассчитывается при помощи следующей формулы:
fp = 1/2*3.14RC
Поскольку у Вас нет удобных средств для точного измерения частоты, Вы будете просто варьировать частоту, генерируемую генератором функций, и отмечать при помощи мультиметра выходную характеристику фильтра. Таким образом, можно увидеть, как выходное напряжение изменяется в зависимости от частоты как в случае полосового фильтра, так и в случае режекторного фильтра.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к рисунку 24-2. Соберите эту схему полосового фильтра на Вашей макетной панели. Выходное напряжение генератора функций прикладывается к конденсаторам, тогда как выходное напряжение фильтра снимается с резистора 1000м. Заметьте, что общая емкость схемы составлена из двух конденсаторов с емкостью 0,47 мкФ и 0,1 мкФ.
2. Используя значения, показанные на рисунке 24-2, рассчитайте общую емкость схемы и резонансную частоту данной схемы.
Рис. 24-2.
Сt = _______ мкФ
fr=_____Гц
3. Установите регулятором амплитуды генератора функций выходное напряжение размаха 4 В:
Затем установите частоту приблизительно 500 Гц.
4. Подключите осциллограф параллельно выходному резистору 1000м. Медленно увеличивайте частоту на выходе генератора функций и наблюдайте за изменением выходного напряжения схемы. Замечайте вариацию этого напряжения. Изменения частоты выполняйте медленно, чтобы Вы могли получать хорошую индикацию того, как изменяется напряжение, когда частота увеличивается или понижается. Увеличивайте частоту приблизительно до 5 кГц.
5. Регулируйте частоту, наблюдая за выходом фильтра. Настройте генератор функций на пиковое выходное напряжение. Заметьте по генератору функций или измерьте период и частоту при помощи осциллокрафа. f=____Гц
6. Объясните изменения, которые Вы наблюдали в шагах 4 и 5.
7.Демонтируйте .полосовой фильтр. Вместо него соберите схему двойного Т-образного мостового фильтра, который показан на рисунке 24-3. Будьте внимательны при монтаже схеме, поскольку она несколько сложна, и легко можно сделать ошибку во время монтажа.
Рис. 24-3.
Имеется несколько-важных моментов, которые Вы должны принять во внимание при монтаже данной схемы. Во-первых, значение одного (общего) конденсатора получается комбинированием емкостей двух параллельных конденсаторов 0,1 мкФ. Вспомните, что емкости параллельных конденсаторов складываются, образуя, следовательно. один конденсатор емкостью 0,2 мкФ. Другое значение в данной схеме получается соединением двух параллельных резисторов. Два параллельных резистора с одинаковым сопротивлением имеют общее сопротивление, равное половине сопротивления одного из резисторов. В данном случае два резистора 15 кОм соединены параллельно, чтобы получить сопротивление 7,5 кОм.
8. Используя значения, показанные на рисунке 24-3, рассчитайте частоту режекции или центральную частоту данного фильтра. fc=_____Гц
9. Настройте генератор функций на частоту 10 Гц и размах напряжения 4В. Подключите осциллограф на выход фильтра. Увеличивайте теперь выходную частоту приблизительно до 1000 Гц и наблюдайте за вариацией выходного напряжения фильтра. Повторяйте это несколько раз, чтобы Вы могли наверняка увидеть эффект.
10.Настройте генератор функций на нулевую частоту (минимальное напряжение). Измерьте частоту и запишите. f=_____Гц
11.Объясните полученные Вами результаты в шагах 9 и 10.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Режекторный фильтр может быть реализован на базе индуктивно-емкостных схем:
а) высказывание истинно,
б) высказывание ложно.
2. В индуктивно-емкостном полосовом фильтре центральная частота определяется значениями:
а) приложенного напряжения,
б) L и R,
в) R и С,
г) L и С.
3. Полосовой фильтр пропускает:
а) одну частоту,
б) только высокие частоты,
в) узкую полосу частот,
г) все частоты.
4. Двойной Т-образный мостовой фильтр представляет собой:
а) полосовой фильтр,
б) фильтр нижних частот,
в) фильтр верхних частот,
г) режекторный фильтр.
5. Какова центральная частота двойного Т-образного мостового фильтра при значениях R = 10 кОм и С = 0,47 мкФ?
а) 34 Гц,
б) 47 Гц,
в) 68 Гц,
г) 120 Гц.
Рис. 24-1. Типичная характеристика полосового и режекторного фильтра
Рис. 24-2. Схема для оценки характеристик фильтров
Рис. 24-3. Схема двойного Т-образного мостового фильтра
4. Приложение
Приложение
ТАБЛИЦА ЗНАЧЕНИЙ ЦВЕТОВОГО КОДА
(ДЛЯ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ)
|
Цвет полоски |
Значение представляемое цветом |
Десятичный множитель |
Процент допуска |
Номинальное напряжение |
% изменений на 1000 операций в тяж.режиме |
|
Черный |
0 |
1 — |
— |
— |
— |
|
Коричневый |
1 |
10 |
1 * |
100 * |
1 % |
|
Красный |
2 |
100 |
2 * |
200 * |
0.1 % |
|
Оранжевый |
3 |
1000 |
3 * |
300 * |
0.01 % |
|
Желтый |
4 |
10000 |
4 * |
400 * |
0.001 % |
|
Зеленый |
5 |
100000 |
5* |
500 * |
— |
|
Синий |
6 |
1000000 |
6 * |
600 * |
— |
|
Фиолетовый |
7 |
10000000 |
7 * |
700 * |
— |
|
Серый |
8 |
100000000 |
8 * |
800* |
— |
|
Белый |
9 |
1000000000 |
9 * |
900 * |
— |
|
Золотой |
— |
0.1 |
5 |
1000 * |
— |
|
Серебряный |
— |
0.01 |
10 |
2000 * |
— |
|
Без цвета |
— |
— |
20 |
500 * |
— |
(*Может применяться только к конденсаторам.)
4. Полезные схемы для радиолюбителей
ОТ ИЗДАТЕЛЯ
Краткое содержание.
Эта книга "Полезные схемы для радиолюбителей" является существенно расширенным и дополненным, ранее изданным вариантом работы автора "Электронные конструкции своими руками". Она была выпущена в Радиобиблиотеке "Символа-Р" "Отцы и дети". Этот новый выпуск позволит читателям, интересующимся современной электроникой, познакомиться с оригинальными новыми схемными решениями автора — известным разработчиком электронных приборов и устройств для повторения как начинающими, так и более опытными радиолюбителями. Если некоторые конструкции тем, кто делает лишь первые шаги, только начинает чтение подобной литературы с паяльником и в руках покажутся слишком сложными, то, несомненно, им помогут их отцы или руководители радиокружков.
Эту книгу отличает практическая полезность всех описанных конструкций для использования в школе или у себя дома. Несмотря на простоту схемных решений, они помогут создать не только нужный прибор, но научиться работать с основой современной электроники — с микросхемами.
В этом плане особый интерес представляют разработки автора, помещенные в разделе "Новые технические решения". Приведенные там электронные приборы и устройства, такие, как "Цифровой измеритель заряда", который резко повышает качество и надежность при зарядке аккумуляторов различных типов, "Стабилизатор сетевого напряжения", не искажающий форму напряжения сети и способный работать без нагрузки, "Охранное устройство на базе имитатора" и другие, впервые описаны в радиолюбительской литературе.
Большинство устройств схемно просты и не требуют налаживания, в необходимых же случаях сообщаются подробные сведения о наладке. Даны рисунки печатных плат и внешнего вида устройств. В описаниях конструкций приводятся сведения по возможной замене элементов; этому же посвящена и отдельная глава книги. Все устройства были собраны автором и проверены в работе, некоторые из них эксплуатируются в быту на протяжении значительного времени. Издательство желает успехов юным радиоконструкторам и их наставникам.
1. Интегральные микросхемы и работа с ними.
1 . ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ И РАБОТА С НИМИ
В большинстве устройств, описанных в этой книге, используются интегральные микросхемы. Радиолюбители даже с небольшим опытом конструирования аппаратуры скорее всего уже имели дело с микросхемами. Но и начинающие радиолюбители смогут повторить устройства, описанные в этой книге. Сведения о микросхемах и рекомендации по их применению, изложенные ниже, помогут им в этом.
Интегральной микросхемой называют миниатюрное электронное устройство, выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигналов и содержащее большое число активных и пассивных элементов (от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом корпусе.
Все микросхемы подразделяют на две группы - аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для работы с непрерывными во времени сигналами. К их числу можно отнести усилители радио-, звуковой и промежуточной частот, операционные усилители, стабилизаторы напряжения и др. Для аналоговых микросхем характерно то, что входная и выходная электрические величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь один из двух уровней напряжения: высокий или низкий. В первом случае говорят, что мы имеем дело с высоким логическим уровнем, или логической 1, а во втором - с низким логическим уровнем, или логическим 0. Для микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серий К133, К155, К555, широко используемых радиолюбителями, в технических условиях указывают напряжение высокого логического уровня не менее 2,4 В, а низкого - не более 0,4 В. Фактически эти напряжения составляют обычно 3,2...3,5 и 0,1...0,2 В.
В своих разработках радиолюбители наряду с микросхемами ТТЛ широко используют микросхемы на полевых транзисторах, из которых наибольшее распространение получили серии микросхем КМОП (комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). К ним относятся, например, микросхемы серий К164, К176, К561, К564. Для: таких микросхем напряжения, соответствующие высокому и низкому логическим
уровням, составляют соответственно 8,6...8,8 и 0,02...0,05 В (при напряжении питания 9 В).
Таким образом, в микросхемах ТТЛ и КМОП высокий и низкий уровни напряжений сильно отличаются друг от друга, что упрощает совместную работу микросхем с транзисторами, тиристорами и другими приборами.
Почему же уровни напряжений называют логическими?
Дело в том, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных логических действий над входными сигналами. Например, на выходе цифровой микросхемы должно появиться напряжение высокого уровня в том случае, если напряжение высокого уровня присутствует хотя бы на одном из входов, т.е. данная микросхема выполняет логическую операцию ИЛИ (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах микросхемы, то это операция логического умножения. Существует множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Специальная область математики - булева алгебра (по имени английского математика Дж. Буля) - исследует эти законы. Вот почему цифровые микросхемы называют еще и логическими.
В основу работы цифровых микросхем положена двоичная система счисления. В этой системе используются две цифры: 0 и 1. Цифра 0 соответствует отсутствию напряжения на выходе логического устройства, 1 - наличию напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно записать (закодировать) любое десятичное число. Так, для записи одноразрядного десятичного числа требуются четыре двоичных разряда. Сказанное поясняется табл. 1.
В первом столбце таблицы (ее называют таблицей истинности) записаны десятичные числа от 0 до 9, а в последующих четырех столбцах - разряды двоичного числа. Видно, что число в последующей строке получается в результате прибавления 1 к первому разряду двоичного числа. С помощью четырех разрядов можно записать числа от 0000 до 1111, что соответствует диапазону чисел от 0 до 15 в десятичной системе. Таким образом, если двоичное число содержит N разрядов, то с его помощью можно записать максимальное десятичное число, равное 2^(N-1). По таблице также несложно заметить, как можно перевести число из двоичной системы в десятичную. Для этого достаточно сложить степени числа 2, соответствующие тем разрядам, в которых записаны логические 1. Так, двоичное число 1001 соответствует десятичному числу 9 (2^3 + 2^0).
Двоичную систему счисления используют в большинстве современных цифровых вычислительных машин.
Рассмотрим свойства и работу некоторых простейших логических элементов, широко используемых радиолюбителями в конструируемых устройствах и приборах.
Логический элемент И (рис. 1,а) имеет два входа и один выход. В верхней части прямоугольника стоит знак & (амперсент), который обозначает операцию объединения, перемножения. Это значит, что напряжение высокого уровня на выходе присутствует в том, и только
в том случае, если на обоих входах также напряжения высокого уровня. Это поясняется таблицей истинности, приведенной на рис. 1,б. Логический элемент 2И-НЕ отличается от элемента И только инвертированием выходного сигнала (рис. 2).
Логический элемент ИЛИ (рис. 3,а) имеет два входа и один выход. Если хотя бы на одном из входов есть напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет на выходе (рис. 3,6). Работа элемента 2ИЛИ-НЕ отличается только инвертированием выходного сигнала (рис. 4).
Логический элемент НЕ (рис. 5,а) имеет один вход и один выход. Если на вход подать напряжение высокого уровня, то на выходе установится напряжение низкого уровня, и наоборот, т. е. говорят, что входной сигнал инвертируется элементом (рис. 5,6).
Эти три разновидности логических элементов позволяют реализовывать любую сколь угодно сложную логическую функцию. Однако для облегчения работы конструктора разработано и выпускается множество других логических элементов [3И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, 2-2-3-4И-4ИЛИ-НЕ (рис. 6) и др.], реализованных в отдельных корпусах микросхем.
Одним из наиболее широко применяемых радиолюбителями в своих конструкциях является логический элемент 2И-НЕ (см. рис. 2). Если подавать входной сигнал на соединенные вместе входы, то он будет работать как инвертор (рис. 7,а). С помощью двух логических элементов 2И-НЕ можно производить операцию логического умножения (рис. 7,6), с помощью трех логических элементов - операцию логического сложения (операцию ИЛИ, рис. 7,в). Таким образом, с помощью элемента 2И-НЕ можно реализовать любую логическую операцию.
Одной из наиболее популярных у радиолюбителей серий микросхем является серия К155. В настоящее время она насчитывает более 100 наименований.
Микросхемы серии К155 питаются от источника постоянного напряжения 5В±5%, потребляя ток (на один корпус) в зависимости от назначения от 10 до 100 мА. Как было отмечено, напряжение высокого уровня фактически составляет около 3,5 В, а низкого -около 0,1 В. Для того чтобы подать на вход логического элемента напряжение низкого уровня, достаточно этот вход соединить с общим проводом питания. Для подачи напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако, чтобы уменьшить влияние помех, желательно этот вход подключить к напряжению +5В через резистор сопротивлением 1...1.5 кОм. К одному резистору можно подключать до 10 входов микросхем. Напряжение на входах логических элементов можно измерять обычным авометром на пределе измерения постоянного напряжения, но лучше использовать специальный пробник.
Простейший пробник состоит из свето-диода и резистора (рис. 8). Если при подключении к выходу логического элемента светодиод светится, то на этом выходе напряжение высокого уровня, если же светодиод не светится, то на входе пробника напряжение низкого уровня.
На рис. 9,а представлена схема логического пробника, который индицирует уровни логического 0 и логической 1 зажиганием одного из двух светодиодов.
При отсутствии входного сигнала на выходе логического элемента DD1.1 действует напряжение низкого уровня, а на выходе логического элемента DD1.2 - высокого уровня. Светодиоды HL1 и HL2 не светятся. При подаче на вход напряжения низкого уровня (0...0.4 В) состояние логического элемента DD1.2 не изменяется, а на выходе DD1.1 появляется напряжение высокого уровня (поскольку на входы DD1.1 через открытый диод VD1 подано напряжение низкого уровня). Загорается светодиод HL1, индицируя уровень логического 0. Если же на вход подано напряжение высокого уровня, то через открывшийся диод VD2 это напряжение подается на входы логического элемента DD1.2; на выходе DD1.2 появляется напряжение низкого уровня и загорается светодиод HL2, показывая уровень логической 1. Состояние же элемента DD1.1 при этом не изменяется, светодиод HL1 не горит.
На рис. 9;б представлена схема другого логического пробника, аналогичного по принципу работы предыдущему. Отличие состоит в том, что информация о логических уровнях напряжения выводится на светодиодный семисегментный цифровой индикатор. Для управления сегментами в пробник добавлены логические элементы DD1.3, DD1.4 и диоды VD3, VD4. Сегменты, имеющие выводы 10, 13, индицируют логическую 1, а все шесть сегментов - логический 0. Сегмент, имеющий вывод б, - знак запятой (индикация включения пробника). Логические элементы DD1.3 и DD1.4 включены параллельно для получения суммарного выходного тока, обеспечивающего нормальную работу одновременно шести сегментов.
Для предотвращения подачи на пробники напряжения обратной полярности в их плюсовые шины включены диоды (VD3 на рис. 9, а и VD5 на рис. 9,6),
Микросхему К155ЛАЗ можно заменить на К133ЛАЗ, К158ЛАЗ, К155ЛА1, К155ЛА4, К555ЛАЗ. Вместо К155ЛА8 можно применить К133ЛА8, К155ЛАЗ, но в последнем случае номинал резисторов R3-R8 необходимо увеличить до 820 Ом. Светодиодный индикатор АЛС324Б можно заменить на АЛ 133, АЛС312 с любым буквенным индексом, а также на АЛ305А, АЛС321Б, АЛС337Б, АЛС338Б, АЛС324Б. Диоды могут быть любыми из серий Д7, Д9, Д311.
Пробник со светодиодным индикатором собран в корпусе от вышедшей из строя электрозажигалки или другом.
Такие пробники пригодны для работы с микросхемами, рассчитанными на питание от источника напряжением +5 В (серии К155, КР531, К555, К 133, К 134). Для работ с микросхемами КМОП (серии
К 164, К176, К561) пробник может быть собран по аналогичной схеме на микросхемах КМОП, но для управления сегментами цифрового индикатора придется применить транзисторные ключи.
Теперь несколько слов о более сложных микросхемах, с которыми читатель встретится в книге.
Во многих рассматриваемых конструкциях используют триггеры (электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, причем переход из одного состояния в другое происходит под действием внешнего сигнала). При отсутствии сигнала триггер может находиться в одном из двух состояний неограниченно долго (т. е. обладает "памятью"). Поэтому триггеры широко используют в электронно-вычислительных машинах для хранения информации. В зависимости от выполняемых функций и назначения триггеры классифицируют по типам. Мы рассмотрим только два из них: RS- и D-триггеры.
Условное обозначение RS-триггеры представлено на рис. 10,а. Он имеет по два входа и выхода. Выходы обозначены буквами Q (прямой) и Qинв (инверсный). Логические уровни на этих двух выходах противоположны. Это сделано для удобства соединения триггеров с другими логическими элементами устройств. Некоторые типы триггеров инверсного выхода не имеют. Вход S предназначен для установки триггера в единичное состояние (напряжение высокого уровня на выходе Q); вход R - для установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на выходе Q). Поскольку среди микросхем серии К 155 RS-триггер отсутствует, его собирают из двух логических элементов 2И-НЕ, входящих в состав микросхемы К155ЛАЗ (рис. 10,6). Установка триггера в нужное состояние осуществляется подачей напряжения низкого уровня на один из входов (на другом входе в это время должно быть напряжение высокого уровня). Подача на оба входа напряжения низкого уровня недопустима.
На рис. 10,в представлено условное обозначение D-триггера (нумерация выводов приведена для микросхемы К155ТМ2, содержа-
щей два таких триггера). По сравнению с RS-триггером здесь имеются два новых вывода: D и С. Вход D называют информационным, а С - входом синхронизации. После подачи импульса на вход С на прямом выходе Q триггера установится тот логический уровень, который был до прихода синхроимпульса на входе D. Входы R и S выполняют те же функции, что и в рассмотренном выше RS-триггере.
Рассмотренный D-триггер несложно преобразовать в счетный триггер, т. е. такой, состояние которого изменяется после поступления очередного импульса на счетный вход. Для обеспечения счетного режима необходимо вход D соединить с инверсным выходом триггера (рис. 11,а). Из логики работы D-триггера следует, что после прихода импульса на вход С состояние триггера будет изменяться на противоположное. Это иллюстрируется временными диаграммами, или эпюрами напряжений (рис. 11,6). Подобно таблице истинности, эпюры напряжений дают наглядное представление о работе устройства, к ним мы будем обращаться и в дальнейшем. Необходимо отметить, что изменение состояния D-триггера данного типа происходит при изменении напряжения на счетном входе с низкого уровня на высокий. Такое изменение напряжения часто называют положительным перепадом напряжения или фронтом импульса. Реакцию триггера на положительный перепад напряжения отображают косой чертой, пересекающей линию входа С (см. рис. 11,а). Аналогично изменение напряжения с высокого уровня на низкий называют отрицательным перепадом напряжения, спадом или срезом импульса. На схемах это отображают также косой чертой, но повернутой на 90° относительно показанной на рисунке. В зависимости от своей внутренней структуры триггер реагирует или на положительный, или на отрицательный перепад напряжения.
Несколько триггеров, объединенных в одной микросхеме и соединенных между собой, образуют счетчик. На рис. 12 показана
микросхема К155ИЕ5, содержащая в своем составе четыре счетных триггера. Входом первого триггера является вывод 14, а выходом -вывод 12. Три остальных триггера соединены последовательно, входом первого триггера является вывод 1, а выходами этих триггеров - выводы 9, 8, 11. Для обеспечения последовательной работы всех четырех триггеров следует соединить выводы 1 и 12. Триггеры переключаются спадом импульса (в отличие от микросхемы К155ТМ2). Установку всех триггеров в нулевое состояние осуществляют кратковременной подачей напряжения высокого уровня на оба входа &RO. Частота импульсов на выходах 1, 2, 4, 8 соответственно в 2, 4, 8, 16 раз меньше частоты входного сигнала. Таким образом, период работы счетчика равен 16 входным импульсам.
Микросхема К155ИЕ2 (рис. 13) также содержит четыре счетных триггера, однако благодаря использованию внутренних обратных связей коэффициент пересчета равен 10. С помощью входов &RO микросхему устанавливают в состояние, при котором на всех выходах напряжение низкого уровня; с помощью входов &R9 микросхему устанавливают в состояние, соответствующее числу 9 в двоичном коде (напряжение высокого уровня на выходах 1 и 8). Триггеры счетчика переключаются срезом импульса.
Чтобы преобразовать двоичный код, в котором представлены выходные сигналы микросхемы К155ИЕ5, в так называемый позиционный код, используются дешифраторы. На рис. 14 представлен интегральный дешифратор К155ИДЗ, осуществляющий такое преобразование. Входы W0 и W1 являются разрешающими. При наличии на них напряжения низкого уровня на одном из выходов дешифратора 0-15 также имеется напряжение низкого уровня, причем номер этого выхода является эквивалентом двоичного числа, поданного на входы 1, 2, 4, 8. Так, при подаче кодовой комбинации входных сигналов 0110 в активном состоянии будет выход 6
(вывод 7) При этом на всех остальных выходах будет напряжение высокого уровня. Если же на входы W0, W1 подать напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет на всех выходах дешифратора Поэтому входы W0, W1 называют разрешающими или стробирующими.
Существуют микросхемы, содержащие в одном корпусе счетчик и дешифратор Примером является микросхема КМОП К176ИЕ8 (рис 15) Вход R служит для установки триггеров в исходное состояние, при котором на выходах 1-9 имеется напряжение низкого уровня, а на выходе 0 - напряжение высокого уровня Входные импульсы можно подавать на один из входов СР или CN. При подаче же импульсов на вход СР изменение состояния счетчика происходит по фронту импульсов (при этом на входе CN должно быть напряжение низкого уровня) При подаче же импульсов на вход CN изменение состояния происходит по срезам импульсов (при этом на втором входе СР должно быть напряжение высокого уровня) На активном выходе, номер которого соответствует числу импульсов, поступивших после установки в исходное состояние, имеется напряжение высокого уровня (в отличие от напряжения низкого уровня в К155ИДЗ)
Особенности работы счетчиков, дешифраторов и микросхем другого функционального назначения будут рассмотрены в каждом конкретном случае отдельно.
Из многих важных параметров микросхем обратим внимание на три из них - входной и выходной токи логического элемента и его максимальное выходное напряжение Входной ток - это ток, который протекает через входную цепь при соединении входа логического элемента с общим проводом или с проводом питания. В первом
случае ток называют вытекающим, и для большинства микросхем серии К155 он составляет 1,6 мА. Во втором случае говорят о втекающем токе, который составляет примерно 40 мкА. Из сказанного следует, что если между входом логического элемента и общим проводом включен резистор, то для обеспечения на входе напряжения низкого уровня (которое для серии К 155 не должно превышать 0,4 В) его сопротивление не может быть больше 0,4В.О,0016А, т. е. 250 Ом Увеличение сопротивления этого резистора сверх указанного значения приведет к установлению на входе потенциала, соответствующего порогу переключения элемента Такое состояние является неустойчивым. Поэтому увеличивать сопротивление этого резистора не рекомендуется. Для подачи на вход напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако с целью повышения помехоустойчивости целесообразно соединить его с проводом питания через резистор сопротивлением 1...2 кОм. Необходимо заметить, что величина входного вытекающего тока накладывает ограничение и на сопротивление времязадающих резисторов генераторов, выполненных на элементах этой микросхемы, которое не должно превышать 1 кОм. Для микросхем серии К555 входной вытекающий ток в 3-4 раза меньше, поэтому сопротивления резисторов могут быть в 3-4 раза больше. Для микросхем КМОП (К176, К561) входной вытекающий ток составляет примерно 0,2 мкА, исходя из этого следует рассчитывать и сопротивления резисторов.
Выходной ток логического элемента также может быть втекающим и вытекающим. Первый имеет место в случае подключения нагрузки между выходом и шиной питания, причем на выходе имеется напряжение низкого уровня. Значение этого тока для большинства элементов ТТЛ, у которых выходной каскад имеет внутреннюю нагрузку, составляет 16 мА. Для элементов с открытым коллектором значение этого тока значительно выше - так, для элементов микросхемы К155ЛЛ2 допускается выходной ток 300 мА. Вытекающий ток логического элемента - это ток в цепи нагрузки, включенной между выходом и общим проводом, причем на выходе имеется напряжение высокого уровня Значение этого тока для большинства микросхем ТТЛ составляет 0,2 0,4 мА Для увеличения выходного тока можно соединять параллельно несколько однотипных логических элементов, при этом объединяют входы и выходы элементов (см схему логического пробника, рис 9,6)
Максимальное выходное напряжение - это напряжение, которое может быть приложено к выходу логического элемента без повреждения последнего. Для большинства логических элементов ТТЛ оно не превышает напряжения питания, но для некоторых элементов с открытым коллекторным выходом оно значительно больше 12 В
для К155ЛА11, 15 В для К155ЛН5, 30 В для К155ЛА18, К155ЛИ5, К155ЛЛ2, К155ЛНЗ, К155ЛП9.
Высокое допустимое выходное напряжение в сочетании с большим выходным током позволяет непосредственно подключать к выходам микросхем электромагнитные реле, элементы индикации.
Несколько советов по монтажу интегральных микросхем.
1. Во время пайки нельзя перегревать корпус микросхемы. Для этого следует использовать припой с температурой плавления не более 260°С, мощность паяльника не должна превышать 40 Вт. длительность пайки одного вывода - не более 5 с, а промежуток времени между пайками выводов одной микросхемы должен быть не менее полминуты. Если ведется монтаж нескольких микросхем, то сначала паяют первый вывод первой микросхемы, затем первый вывод второй и т. д., затем второй вывод первой микросхемы, второй вывод второй и т. д. Благодаря такому приему микросхемы успевают остывать в промежуток между пайками.
Микросхемы КМОП могут быть выведены из строя разрядом статического электричества, основным источником которого является человек. Чтобы этого не случилось, жало паяльника и руки радиомонтажника необходимо заземлять.
2. Монтаж микросхемы может быть выполнен печатным способом, проводами или комбинированным способом.
При пайке проводами удобно использовать многожильный провод в тугоплавкой изоляции типа МГТФ 0,07...0,12 мм^2 или одножильный луженый провод 0,25...0,35 мм^2 также в тугоплавкой изоляции. Сначала на вывод микросхемы наматывают 1-1,5 витка провода, а затем производят пайку. Этот способ хорош тем, что позволяет неоднократно производить перепайки проводов, а такая необходимость может возникнуть в процессе наладки устройства.
Печатный монтаж микросхем следует применять тогда, когда есть уверенность, что схема работоспособна, а также при изготовлении нескольких одинаковых устройств на одинаковых платах. Печатные платы могут иметь одно- и двустороннее расположение печатных проводников. Для большинства устройств в книге приведены рисунки печатных плат.
При комбинированном способе монтажа микросхемы припаивают к контактным площадкам, а в другие отверстия контактных площадок впаивают проволочные проводники. На рис. 16 показаны чертежи двух печатных плат для комбинированного монтажа микросхем (платы № 1 и 2, в дальнейшем мы будем на них ссылаться). На платах можно установить микросхемы с 14, 16 и 24 выводами.
Утолщенными линиями обозначены шины для подачи питания ва микросхемы. На платах имеются также отверстия для установки
вилки соединителя МРН-22 с целью подключения элементов платы к внешним устройствам. Каждый вывод микросхемы, как видно из рисунка, впаивают в отверстие контактной площадки. В два других отверстия впаивают выводы радиоэлементов или проводники, соединяющие между собой микросхемы.
Целесообразно изготовить три-четыре таких печатных платы и вести на них монтаж различных конструкций.
3. Неиспользуемые выводы микросхем ТТЛ следует объединять в группы по 10 шт. и подключать к плюсовой шине питания через резистор 1...1,5 кОм; неиспользуемые выводы микросхем КМОП можно непосредственно подключать к плюсовой шине.
4. Для улучшения помехозащищенности между шинами питания следует устанавливать конденсаторы типов КМ-6, К10-7, К10-17 емкостью 0,1...0,047 мкф из расчета один конденсатор на два-три корпуса микросхем. Особое внимание следует уделять обеспечению помехоустойчивости устройств, имеющих в своем составе микросхемы памяти - триггеры, счетчики и т. п.
5. Соединительные провода должны иметь длину не более 20... 30 см. Если же требуется передать сигнал на большее расстояние, используют так называемые витые пары. Два провода скручивают вместе, по одному из них подается сигнал, а второй заземляют (соединяют с общим проводом) с обоих концов. Целесообразно также оба конца сигнального провода подключить к плюсовой шине через резисторы 1 кОм (для ТТЛ-микросхем) или 100 кОм (для КМОП-микросхем). Длина проводов витой пары может достигать 1,5...2м.
Рис. 1-3 Логический элемент И, 2И-НЕ, ИЛИ
Рис. 10 Триггеры
Рис. 11 Работа D-триггера в счетном режиме
Рис. 12 Двоичные счетчики К155ИЕ5. К155ИЕ2
Рис. 14 Интегральный дешифратор К155ИД3
Рис. 15 Счетчик, совмещенный с дешифратором К176ИЕ8
Рис. 16 Универсальные печатные платы для монтажа логических интегральных микросхем
Рис. 4-6 Логический элемент 2ИЛИ-НЕ, НЕ
Рис. 7 Использование логического элемента 2И-НЕ в качестве инвертора
Рис. 8 Простейший логический пробник
Рис. 9 Логические пробники с индикаторов из двух светодиодов и цифровым индикатором
Таблица 1. Двоичная система исчисления
2. О мерах безопасности при изготовлении и наладке устройств.
2. О МЕРАХ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И НАЛАДКЕ УСТРОЙСТВ
Радиолюбителям, занимающимся конструированием различных электронных устройств, постоянно приходится иметь дело с электрическим током. Неосторожное обращение с током в процессе изготовления, наладки и эксплуатации устройств может привести к печальным последствиям, поэтому необходимо тщательно выполнять несложные правила техники безопасности.
Безопасным для человека считается напряжение, не превышающее 36 В. Разумеется, речь идет о нормальных условиях - сухое помещение, чистая и сухая кожа. Поскольку при питании устройств от гальванических элементов и батарей значения напряжений ниже, следует соблюдать безопасность при работе с устройствами, имеющими сетевое питание.
Значение тока, протекающего через тело человека, зависит от его сопротивления. У всех людей это сопротивление различно. Сопротивление снижается, если руки человека влажные, а также если влажная его одежда. Это необходимо учитывать, прежде чем приступить к работе. Не следует также иметь дело с электрическим током в болезненном или утомленном состоянии - реакция человека снижается и вероятность несчастного случая увеличивается.
При попадании человека под напряжение электрический ток обычно протекает от одной руки к другой, а также от руки к ноге. Поэтому не следует одновременно двумя руками прикасаться к элементам устройства, а также держаться рукой за трубу отопления или водопровода; под ноги на рабочем месте желательно подкладывать резиновый коврик, являющийся изолятором.
Жало паяльника следует заземлять - это обеспечит безопасность работы при нарушении изоляции паяльника и появлении на корпусе фазного напряжения (в этом случае сработают предохранители и сеть будет обесточена). Предохранители электросети (плавкие вставки или электромеханические "пробки") должны быть исправными.
Замену элементов налаживаемой конструкции следует производить только в обесточенном состоянии. Если в устройстве имеются высоковольтные конденсаторы, их необходимо разрядить (вообще при проектировании устройства надо предусматривать разрядку таких конденсаторов после отключения напряжения питания). Если необходимо измерить напряжение на элементах, то один щуп вольтметра следует подключить к требуемой точке при обесточен
ном устройстве (например, с помощью лабораторного зажима типа "крокодил"); после включения устройства в сеть вторым щупом прикасаются к выводу элемента. При этом не следует пользоваться щупом, имеющим неизолированную часть (спицу) значительной длины - в этом случае можно надеть отрезок изоляционной трубки, оставив неизолированный конец длиной 2 ..3 мм. Измерение лучше выполнять одной рукой.
Некоторые радиолюбители проверяют наличие напряжения на зажимах с помощью языка. Так делать ни в коем случае нельзя, даже если известно, что напряжение не превышает 5.. 7 В. Говорят, что незаряженное ружье один раз в год стреляет; также и на этих зажимах может оказаться значительное напряжение.
В последнее время радиолюбители собирают приборы на транзисторах и микросхемах, питание которых осуществляется безопасным напряжением. Как правило, такие устройства питаются от сети через понижающий трансформатор. В этом случае опасное напряжение имеется на выводах первичной обмотки трансформатора, выключателя питания и патроне предохранителя (применение их обязательно). Монтаж этой части прибора, связанной с сетью, следует выполнять особенно тщательно, все соединения нужно изолировать поливинилхлоридной трубкой, лакотканью пли изоляционной лентой.
Если устройство не содержит трансформатор, то все элементы имеют гальваническую связь с сетью. При настройке и эксплуатации такого устройства следует соблюдать особую осторожность. В процессе налаживания устройства желательно питать его через разделительный трансформатор, у которого первичная и вторичная обмотки рассчитаны на напряжение сети Плату и элементы устройства необходимо тщательно изолировать от корпуса, а сам корпус лучше выполнять из непроводящего материала. Изнутри корпус желательно выложить асбестовыми пластинами. Ручки переменных резисторов, колпачки переключателей, другие элементы управления следует выполнять из изоляционного материала.
Прежде чем включать прибор в сеть, подключите омметр к выводам сетевой вилки и убедитесь в отсутствии короткого замыкания.
При работе начинающего радиолюбителя с электронными устройствами желательно, чтобы в этом помещении находился второй человек, который в случае необходимости может отключить напряжение и оказать помощь.
Таковы основные правила техники безопасности при работе с электроустановками, которых необходимо придерживаться каждому радиолюбителю.
3. Электронные игры.
Глава 3. Электронные игры.
3.1 Электронный кубик.
3.1 Электронный кубик
Всем знакомы игры, в которых перед началом хода требуется бросать небольшой пластмассовый кубик, на шести гранях которого нанесено от одной до шести точек (очков). Бросая по очереди кубик, играющие суммируют очки: кто больше набрал, тот и выиграл.
Можно изготовить электронное устройство, заменяющее такой кубик. На передней панели устройства должны быть шесть светодиодов, кнопка и тумблер включения. Стоит нажать кнопку - и количество светящихся светодиодов покажет число набранных в очередном туре очков.
Принципиальная схема электронного кубика представлена на рис. 17,а. На трех логических элементах 2И-НЕ микросхемы DD1 собран генератор, а на шести D-триггерах (микросхемы DD2-DD4) -кольцевой счетчик.
Как работает генератор? Он представляет собой трехкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью через конденсатор С1 и отрицательной - через резистор R1. При наличии таких связей в усилителе возникают автоколебания, частота которых определяется произведением R1C1. При этом контакты кнопки SB1 должны быть разомкнуты. Запомните эту схему - в дальнейшем она будет использоваться во многих устройствах.
Рассмотрим работу счетчика. Как видно из схемы, все синхронизирующие входы D-триггеров соединены между собой, а вход D последующего триггера соединен с прямым выходом предыдущего D-триггера. Вход же D первого триггера (DD2.1) соединен с инверсным выходом последнего триггера (DD4.2). Работу цепи триггеров (ее еще называют кольцевым триггерным счетчиком) удобно проанализировать по таблице истинности (табл. 2). Выходы Q1-Q6 - это прямые выходы триггеров. Допустим, в исходный момент все триггеры находятся в нулевом состоянии. Тогда на входе D первого триггера - напряжение высокого уровня, поступающее с инверсного выхода шестого триггера. После поступления первого импульса триггер DD2.1 переключается в единичное состояние, и с его прямого выхода напряжение высокого уровня поступает на вход D триггера DD2.2. .Поэтому после поступление импульса № 2 второй триггер переключается в единичное состояние По мере поступления на входы С шести, импульсов все триггеры
переключаются в единичное состояние. При этом светятся все светодиоды, подключенные к инверсным выходам триггеров. На вход D первого триггера теперь подано напряжение низкого уровня, и при подаче последующих шести импульсов триггеры последовательно переключаются в нулевое состояние. Из табл. 2 видно, что период работы кольцевого счетчика равен 12 тактам.
При нажатии кнопки SB1 "Пуск" импульсы частотой 1...2 МГц с генератора поступают на вход кольцевого счетчика. Последний за время удержания кнопки (1...2 с) многократно переполняется, поэтому после отпускания кнопки состояния триггеров DD2.1 -DD4.2, отображаемые горящими светодиодами HL1-HL6, практически случайны. Сколько светодиодов зажглось, столько очков и записывают в актив игроку.
Питаются микросхемы от батареи GB1, потребляя ток 50...100 мА.
Все элементы устройства, кроме SB1, Q1 и GB1, расположены на печатной плате (рис. 17, б,в). Выключатель питания Q1 (он может быть типов П2Т, МТ1, П2К) и кнопка SB1 (она может быть типов КМ1, МП1 или любого другого типа) расположены на верхней крышке. Здесь же просверлены отверстия для светодиодов HL1-HL6. Плата с деталями крепится с помощью винтов с ограничивающими втулками. Батарея GB1 может быть типа 3336 "Рубин"; светодиоды HL1-HL6 - типов АЛ102, АЛ307 АЛ310 с любыми буквенными индексами; конденсатор С1 - типов КЛС, КМ-5, К10-7в, К10-23;
резисторы - типа МЛТ-0,25.
Электронный кубик в налаживании не нуждается.
Начинающие радиолюбители могут "увидеть", как переключаются триггеры при поступлении импульсов генератора. Для этого параллельно конденсатору С1 необходимо подключить оксидный конденсатор емкостью 200...500 мкФ на напряжение 6...10 В отрицательной обкладкой к выводам 1, 2 логического элемента DD1.1. При этом частота генератора уменьшится до 0,5...2 Гц, и по зажиганию соответствующих светодиодов можно проследить последовательность переключения триггеров. Разумеется, кнопка SB1 должна быть постоянно нажата.
Рис. 17 Принципиальная схема электронного кубика
Таблица 2. Таблица истинности триггеров
3.2 "Кто выше ?".
3.2 "Кто выше?"
Когда собираются гости, перед хозяином встает задача - чем их занять? Ниже описано несложное устройство, которое позволяет
хорошо размяться и в какой-то степени оценить свои физические способности.
Устройство даёт возможность определить лучшего прыгуна. За отметку высоты принимают, например, ветки деревьев. Подпрыгнул, коснулся ветки - значит, преодолел нужную высоту. С помощью предлагаемого прибора можно более объективно оценивать лидера и устраивать такие состязания не только там, где есть деревья, но и в любом другом месте.
Датчиком высоты служит плата из фольгированного стеклотекстолита, на которой расположены восемь изолированных друг от друга медных площадок (рис. 18).
Плату располагают на определенной высоте. Прикосновение пальцев руки к площадкам вызывает срабатывание соответствующих реле, которые фиксируют достигнутую высоту.
Принципиальная схема прибора показана на рис. 19. Он состоит из восьми одинаковых блоков А1-А8. Каждый блок представляет собой емкостное реле, т. е. устройство, срабатывающее при прикосновении человека к сенсорному контакту (на схеме контакты обозначены Е1-Е8). Каждый блок выполнен на двух транзисторах и тринисторе и представляет собой усилитель. Поскольку тело человека обладает определенной емкостью, оно имеет некоторый электрический заряд, а следовательно, и разность потенциалов между любыми двумя точками тела. Поэтому при прикосновении руки к сенсорному контакту, допустим, блока А1, на базе транзистора VT1 относительно общего провода появляется напряжение. Транзисторы VT1, VT2 открываются и через управляющий электрод тринистора VS1 начинает протекать ток. Это вызывает открывание тринистора и срабатывание электромагнитного реле К1. Своими контактами К 1.1 реле включает лампу HL1 и снимает питание с блоков А2-А8. Если теперь дотронуться до контактов Е2-Е8, то соответствующие реле не сработают. Таким образом, лампа HL1 зафиксирует наибольшую высоту.
А если подпрыгнуть и провести пальцами снизу вверх по сенсорам? Тогда первым сработает реле К8, зажжется лампа HL8 Затем сработает реле К7, зажжется лампа HL7, а реле Е8 отпустит и лампа HL8 погаснет Затем сработает реле Кб, обесточив все предыдущие реле, и т. д. Таким образом, и в этом случае будет гореть только одна лампа, соответствующая наибольшей достигнутой высоте.
Чтобы возвратить устройство в исходное состояние, необходимо кратковременно нажать кнопку SB1 "Сброс"
Устройство питается от стабилизированного выпрямителя (стабилитрон VD1 и транзистор VT17)
Транзисторы КТ203Б можно заменить на КТ361, КТ502, КТ3107 с любыми буквами; КТ801Б - на КТ815, КТ807 с любыми буквами. Тринисторы - любые из серии КУ101 Мостовой выпрямитель VD2 -типов КЦ402, КЦ405 с любыми буквами или четыре диода Д226, Д310. Реле К1-К8 - типа РЭС-15 (паспорт РС4.591 004) или РЭС-10 (паспорт РС4 524.302). Трансформатор Т1 - типа ТВК-70, ТВК-110Л-1 или любой другой, имеющий вторичную обмотку на напряжение 12...15 В и ток не менее 200 мА
Устройство собрано в корпусе размерами 255 х 200 х 80 мм. Передняя стенка корпуса представляет собой плату с сенсорными контактами (см. рис. 18) Излишки фольги удалены с помощью ножа, В верхней части передней стенки установлены выключатель питания
Q1 и кнопка SB1 "Сброс", а слева - лампы HL1-HL8 В этом же корпусе находится и печатная плата, на которой смонтированы элементы устройства. Сенсорные контакты должны соединяться с печатной платой возможно более короткими проводами (10.. 20 см).
Устройство, собранное из исправных деталей и без ошибок, в налаживании не нуждается При пользовании прибором необходимо лишь подбирать такую полярность подключения первичной обмотки трансформатора Т1 к сети, при которой обеспечивается надежное срабатывание реле.
Рис. 18 Расположение сенсорных контактов устройства "Кто выше?"
Рис. 19 Принципиальная схема устройства "Кто выше?"
3.3 Игровое устройство "Рулетка ".
3.3 Игровое устройство "Рулетка"
В популярной телевизионной игре "Что? Где? Когда?" для определения очередного тура конкурса используют механический волчок, или рулетку. Раскручивают волчок до большой скорости и дают ему возможность свободно вращаться. Положение стрелки волчка после остановки укажет на адрес очередного вопроса или на музыкальную паузу.
Такое устройство можно сделать и электронным. На рис. 20 приведена его принципиальная схема. Схема генератора несколько отличается от использовавшейся в электронном кубике. Во-первых, транзистор VT1 повышает входное сопротивление логического элемента DD1.1, что позволяет применить конденсатор С1 сравнительно небольшой емкости. Во-вторых, частота генератора зависит от напряжения на базе транзистора VT2: чем больше это напряжение, тем больше и частота.
Нарастающее или убывающее напряжение формируется узлом, собранным на резисторах R3-R7, конденсаторе С2 и кнопке SB1. В исходном состоянии контактов кнопки, показанном на схеме, напряжение на конденсаторе С2 составляет примерно 1 В. При этом транзистор VT2 закрыт, его внутреннее сопротивление велико и .генератор не работает. Счетчик DD2 находится в произвольном состоянии, и светится один из светодиодов HL1-HL16. При нажатии кнопки SB1 "Пуск" конденсатор С2 начинает заряжаться. Ток базы транзистора VT2 плавно увеличивается, внутреннее сопротивление транзистора уменьшается, и начинает работать генератор, причем частота его импульсов постепенно увеличивается. Светодиоды HL1-HL16 расположены по окружности, поэтому создается впечатление кругового движения горящей точки (светится только один светодиод).
Когда конденсатор С2 зарядится до максимального напряжения, определяемого сопротивлением резисторов делителя, частота импульсов генератора станет максимальной. Теперь кнопку SB1 можно
отпустить. Начнется разрядка конденсатора С2, и частота генератора будет плавно уменьшаться. Через некоторое время внутреннее сопротивление транзистора VT2 увеличится настолько, что генератор остановится и будет гореть один из светодиодов HL1-HL16. Какой именно светодиод - заранее узнать невозможно. Именно эта особенность и позволяет использовать устройство в различных играх. Например, около каждого светодиода можно написать числа от 1 до 16 и соревноваться, кто больше очков наберет, скажем, за пять ходов (играют поочередно несколько участников). Если же каждому числу будет соответствовать какое-либо задание, которое должен выполнить участник, то с помощью рулетки можно проводить интересные конкурсы, викторины.
Устройство собрано в круглом корпусе диаметром 300 мм. На верхней крышке находятся 16 светодиодов, равномерно размещенных по окружности, и кнопка SB1 "Пуск" (в центре окружности). Выключатель питания Q1 и держатель предохранителя FU1 расположены на нижней крышке корпуса в углублении.
В устройстве можно применить следующие радиодетали. Транзисторы VT1, VT2 любые из серий КТ312. КТ315, КТ342, КТ3117. VT3 -типов КТ801, КТ807, КТ815 с любыми буквами. Светодиоды HL1-HL16 могут быть типов АЛ102; АЛ307; АЛ310 с любыми буквами Вместо них можно применять также миниатюрные лампы накаливания НСМ6,3-20, но при этом вместо резистора R10 следует поставить перемычку и включить резисторы сопротивлением 510. .680 Ом между выходами дешифратора DD3 и общим проводом (это уменьшит бросок тока при включении ламп накаливания, поскольку нити ламп все время будут разогреты небольшим током, протекающим через резисторы). Конденсаторы С1-С4 - типов К50-6, К50-16, К50-3. Резисторы - типа МЛТ-0,25. Кнопка SB1 - типа КМ1-1, П2К, выключатель питания - тумблер (МТ1, П1Т-1-1, Tl, T2 и др.). Трансформатор Tl - любой, имеющий вторичную обмотку на напряжение 8...12 В и ток не менее 200 мА (подойдут, например, без переделки трансформаторы типов ТВК-70Л2, ТВК-110ЛМ, ТВК-110Л2) Транзистор VT3 установлен на небольшом уголке площадью 15... 20 см - он служит радиатором.
При налаживании, прежде всего отключив от стабилизатора цепи питания микросхем, с помощью резистора R8 устанавливают на эмиттере VT3 напряжение 5 В. Затем восстанавливают цепи питания микросхем. Нажимают на кнопку SB1 "Пуск" и подбором резистора R6 устанавливают требуемую скорость "разгона" (т. е. скорость нарастания частоты генератора). Затем кнопку SB1 отпускают, резистор R7 закорачивают, резистор R5 временно заменяют переменным такого же номинала и, уменьшая его сопротивление, добиваются срыва колебаний генератора. После этого снимают перемычку с резистора R7, нажатием кнопки SB1 "Пуск" вновь "разгоняют" генератор, кнопку отпускают и подбором резистора R7 устанавливают требуемую скорость остановки. На этом налаживание можно считать законченным.
При использовании устройства в большом зале размеры его могут оказаться недостаточными. В этом случае целесообразно изготовить выносное табло размером 1. .1,5 м с лампами на напряжение сети и мощностью 40 ..60 Вт Для коммутации ламп применяют бесконтактные ключи на тринисторах (рис. 21). При подаче напряжения низкого уровня на вход ключа транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 и тринистор VS1 открыты, лампа HL1 светится
При использовании выносного табло светодиоды HL1-HL16 можно не отключать от выходов дешифратора.
Рис. 20 Принципиальная схема игрового устройства "рулетка"
Рис. 21 Схема бесконтактного ключа для выносного табло "рулетки"
3.4 Генератор случайных чисел.
3.4 Генератор случайных чисел
По принципу действия это устройство аналогично описанному выше, но оно выдает случайные числа в виде цифр, высвечиваемых цифровым индикатором. Принципиальная схема генератора случайных чисел приведена на рис. 22. Устройство выполнено на двух микросхемах серии К176.
Названная серия отличается от уже знакомой нам серии К155 тем, что выполнена на полевых транзисторах. Поэтому микросхемы этой серии потребляют очень малую мощность. Так, для используемых в описываемом ниже генераторе случайных чисел микросхем К176ЛА7 и К176ИЕ8 ток потребления (в статическом режиме) не превышает 0,1 и 100 мкА соответственно. Кроме того, логические элементы, входящие в состав микросхем, имеют высокое входное сопротивле
ние (несколько мегаом), что также является их достоинством (в этом вы убедитесь ниже).
На микросхеме DD1 собран генератор, а на микросхеме DD2 -счетчик с дешифратором. Микросхема Е176ЕА8 представляет собой десятичный счетчик, совмещенный с дешифратором. Напомним, как работает микросхема. Вход R служит для установки исходного состояния (для этого на него необходимо кратковременно подать напряжение высокого уровня), а вход СР - для подачи счетных импульсов положительной полярности (в данном случае на него в процессе работы подается напряжение высокого логического уровня). Микросхема имеет также вход CN для подачи импульсов отрицательной полярности. В процессе счета на выходах микросхемы последовательно появляется напряжения высокого уровня, которое через резисторы R3-R12 подается на базы высоковольтных транзисторов VT1-VT10. Последние управляют цифровым газоразрядным индикатором HG1. Поскольку за время удержания кнопки SB1 счетчик многократно переполнялся, высвечиваемое индикатором число будет практически случайным.
Контакты кнопки SB1 отключают питание индикатора на время нажатия кнопки, чтобы исключить мерцание цифр.
Питание генератора чисел осуществляется от простейшего однополупериодного выпрямителя с параметрическим стабилизатором и
фильтром VD1VD2C2 Резистор R2 необходим для подачи напряжения высокого уровня на вывод 12 микросхемы DD1
Генератор случайных чисел собран на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рис 23). В налаживании устройство не нуждается.
При работе с генератором случайных чисел необходимо соблюдать меры безопасности, поскольку все элементы устройства имеют гальваническую связь с сетью
Прибор можно использовать для иллюстрации некоторых вопросов теории вероятностей и математической статистики, при проведении различного рода экспериментов, а также в ряде игр.
Рис. 22 Схема генератора случайных чисел
Рис. 23 Монтажная плата и схемы размещения на ней
3.5 Тремометр.
3.5 Тремометр
Название прибора происходит от латинского слова tremor, т. е. дрожание. Тремор - это непроизвольные колебательные движения всего тела или отдельных его частей. Чаще всего они охватывают пальцы рук, веки, язык, нижнюю челюсть, голову. У здоровых людей тремор может возникать вследствие мышечного напряжения, эмоционального возбуждения, действия холода.
Предлагаемый прибор позволяет количественно оценивать тремор пальцев рук и тренировать пальцы. Для этого испытуемый должен специальным щупом совершать движение вдоль прорезей определенной формы (рис 24). не касаясь их краев.
Рассмотрим работу тремометра, руководствуясь его принципиальной схемой (рис 25) После подачи питания необходимо дотрону-
ться щупом Q1 до контакта Б. При этом срабатывает реле К1 и контактами К 1.1 самоблокируется, загорается лампа HL2, подсвечивающая табло "Работа". Одновременно через резисторы R3 и R4 начнется зарядка конденсатора С1 - пойдет отсчет времени, отведенного на один цикл. Теперь можно начать выполнение требуемого задания. Вначале щуп поочередно помещают в отверстия, затем проводят слева направо вдоль сужающейся щели, далее -вдоль прямоугольного выреза, и т.д. При этом надо стараться не коснуться краев.
Пластина с прорезями выполнена из металла (на схеме обозначена буквой А), поэтому при касании ее щупом Q1 замыкается электрическая цепь. При этом на вывод 1 логического элемента DD1.1 подается напряжение высокого уровня, транзистор VT1 открывается, срабатывает электромагнитный счетчик импульсов Y1 и загорается лампа HL1, подсвечивающая табло "Касание" Одновременно напряжение высокого уровня, поданное на вывод 9 логического элемента DD1.3, запускает генератор, выполненный на логических элементах DD1.3 и DD1.4 и транзисторе VT6. В звуковом излучателе НА1 раздается звуковой сигнал частотой 300...400 Гц, означающий касание. При каждом касании показание счетчика Y1 увеличивается на единицу. Но ведь можно умышленно прижать щуп к одному из краев прорези и таким образом проделать весь путь, совершив лишь одно касание. В приборе предусмотрено "наказание" за такие неправильные действия. Как только замкнутся контакты Q1 и А, напряжение +5 В окажется приложенным к левому по схеме выводу резистора R6, и через него начнет заряжаться конденсатор С2. Через 1 . 1,5 с откроются транзисторы VT4 и VT5, на входы логического элемента DD2.1 поступит напряжение низкого уровня, а на вывод 4 элемента DD2.2 - напряжение высокого уровня. Начнет работать генератор, выполненный на логических элементах DD2.2-DD2.4. Импульсы с выхода генератора (их частота равна 10.. 15 Гц) будут поступать на вывод 2 логического элемента DD1.1 и вывод 12 элемента DD1.4 Счетчик будет срабатывать с частотой 10...15 Гц. накапливая штрафные очки, а звуковой излучатель НА1 будет издавать прерывистые звуковые сигналы.
Через 15... 20 с после начала выполнения задания конденсатор С1 зарядится до напряжения, достаточного для открывания составного транзистора VT2VT3. Сработает электромагнитное реле К2 и контактами К2.1 самоблокируется. Контактами К2.2 оно включит лампу HL3, подсвечивающую транспарант "Конец", а также снимет питание с лампы HL1 и счетчика Y1. Зазвучит прерывистый звуковой сигнал, извещающий об истечении отведенного времени.
Для установки устройства в исходное состояние необходимо нажать кнопку SB1 "Сброс". Диоды VD1 и VD3 нужны для быстрой разрядки конденсаторов С1 и С2 после снятия с катодов диодов положительного напряжения.
Теперь о деталях тремометра. Вместо микросхемы К155ЛАЗ можно применить аналогичные микросхемы серий К133, К134, К158, КР531, К555 Транзисторы VT2-VT6 могут быть любыми из серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ603, КТ608, КТ3117, VT1 - любой из серий КТ801. КТ815, КТ817. Диоды VD1, VD3 - любые из серий Д9, Д311, КД509, КД510, КД521, КД522. Стабистор КС119А (VD2) можно заменить КС 11 ЗА, а также применить взамен два-три последовательно соединенных диода из перечисленных выше Конденсаторы С1-СЗ - оксидные К50-6, К50-16, К50-35; С4 - КМ-6. К10-17, К10-23, К73-17. Переменный резистор R4 - типа СП-1 или СПЗ-4а, остальные резисторы - МЛТ-0,25 Звуковой излучатель ДЭМШ-1А можно заменить телефонным капсюлем любого типа сопротивлением 60...200 Ом, а также вызывным прибором ВП-1. Реле К1 - РЭС-10 (паспорт РС4.524.304 или РС4.524315). или РЭС-15 (паспорт РС4.591.002 или РС4.591.005). Электромеханический счетчик Y1 -типа СИ206 или СИ100. Кнопка SB1 - любого типа с контактами на размыкание.
Для питания тремометра потребуются источник постоянного стабилизированного напряжения 5 В при токе не менее 300 мА и источник постоянного нестабилизированного напряжения 24 В при токе не менее 500 мА.
Переднюю панель прибора, в которой сделаны прорези, желательно выполнить из нержавеющей стали толщиной 1...1,5 мм. Щуп Q1 можно сделать из вязальной спицы диаметром 1...1,5 мм и длиной 150...200 мм.
Переменным резистором R4 можно устанавливать различное время выполнения задания.
Для расширения возможностей тремометра можно рекомендовать замену электромеханического счетчика счетчиком на цифровых микросхемах, изменение тона звукового сигнала по окончании отведенного времени. Эти усовершенствования предлагается сделать самостоятельно.
Рис. 24 Эскиз верхней панели тремометра
Рис. 25 Принципиальная схема тремометра
3.6 "Кто быстрее?".
3.6 "Кто быстрее?"
У кого реакция лучше? Это можно определить с помощью автомата, схема которого изображена на рис. 26. Играют четверо. Каждый держит в руках небольшой пульт с кнопкой. У ведущего находится в руках выносной пульт управления, с которого подается
сигнал старта. А пока такого сигнала нет, на лицевой панели периодически вспыхивают две лампы. Но вот ведущий незаметно от играющих нажал кнопку на пульте управления. Сразу же вспыхивает лампа сигнала старта. Теперь все зависит от реакции играющих: кто быстрее нажмет "свою" кнопку, тот и выиграет этот старт.
Рассмотрим работу игрового автомата. При нажатии на кнопку SB2 "Старт" загорается лампа HL3. Увидев ее сигнал, все игроки нажимают кнопки своих пультов (SB3-SB6). Предположим, что первой оказалась нажатой кнопка SB5. Тогда положительное напряжение выпрямителя VD2-VD5 через замыкающие контакты кнопки SB2, диод VD1, резистор R1, диод VD10 и контакты кнопки SB5 поступит на управляющий электрод тринистора VS3, он откроется и загорится лампа HL6, определяющая лидера. Одновременно откроется диод VD8, что приведет к уменьшению на нижнем по схеме выводе резистора R1 напряжения до 0.5...1 В. Поэтому при нажатии кнопок остальными игроками соответствующие тринисторы не смогут открыться. В том же случае, если кто-либо из игроков нажмет свою кнопку до подачи полезного сигнала, одновременно с открыванием соответствующего тринистора и загоранием лампы этого игрока сработает реле К1 и своими
контактами К 1.1 включит звонок НА1 - сигнал нарушения правил игры. Диод VD1 предотвратит в этом случае загорание лампы HL3. Кнопкой SB1 "Сброс" ведущий устанавливает устройство в исходное состояние.
Лампы HL1 и HL2, мигая, выполняют функцию отвлекающих сигналов; они переключаются простейшим генератором, собранным на реле К2, КЗ и конденсаторе С1.
Тринисторы, используемые в этом игровом автомате, могут быть серии КУ101 с любыми буквами. Диоды VD6-VD9 - любые из серий Д9 (кроме Д9Б), Д311 (эти диоды имеют малое прямое падение напряжения, что требуется для надежного шунтирования управляющих переходов тринисторов); VD10 - любой из серий КД509, КД510, КД521, КД522. Реле К1 - РЭС-10 (паспорт РС4.524.317), К2, КЗ -РЭС-9 (паспорт РС4.524.202). Трансформатор Т1 - мощностью 5...10 Вт, понижающий напряжение сети до 16... 18 В при токе нагрузки не менее 300 мА. Подойдут, например, трансформаторы типов ТВК-110Л-1, ТВК-110Л-2. Кнопки SB1, SB3 - SB6 - КМ1-1, SB2 -тумблер МТ1-1, ТВ2-1; можно также использовать переключатели П2К. В качестве разъемов использованы магнитофонные разъемы типа СГ-5.
Устройство, собранное без ошибок, в налаживании не нуждается. Игровой автомат "Кто быстрее?" можно выполнить также и на интегральных микросхемах.
Работает такой прибор аналогично описанному выше варианту на тринисторах. Его принципиальная схема приведена на рис. 27.
На логических элементах микросхем DD2, DD4 выполнены RS-григгеры. После подачи питания необходимо нажать кнопку SB6 "Сброс", расположенную на пульте ведущего. При этом все RS-триггеры установятся в нулевое состояние (на их верхних по схеме выходах - напряжение низкого уровня). На выходах логических элементов микросхем DD1 и DD3 - напряжение высокого уровня, поскольку через нормально замкнутые контакты кнопок SB1-SB4 на один из входов каждого из этих логических элементов подано напряжение низкого уровня. Лампы HL1-HL4 не светятся. Работает генератор отвлекающих сигналов, собранный на логических элементах DD6.1, DD6.2 и транзисторе VT5. (Этот транзистор повышает входное сопротивление логического элемента DD6.1, что позволяет использовать резистор R10 сопротивлением в несколько десятков килоом и конденсатор С1 относительно небольшой емкости. Аналогичный генератор встречается и в других конструкциях данной книги). "Перемигиваются" лампы HL5 и HL7 отвлекающего сигнала с частотой около 2 Гц.
После перевода ведущим контактов переключателя SB5 "Старт" в противоположное указанному на схеме положение лампы отвлекающего сигнала отключаются и загорается лампа HL6 полезного сигнала "Старт". Игроки нажимают свои кнопки SB1-SB4. Допустим, обладатель кнопки SB1 среагировал первым. При этом на выходе логического элемента DD 1.1 появится напряжение низкого уровня, и триггер DD2.1DD2.2 переключится в противоположное состояние, которому соответствует напряжение высокого уровня на выходе элемента DD2.1. На другом выходе триггера (выход элемента DD2.2) при этом будет напряжение низкого уровня, которое поступит на входы логических элементов DD1.2, DD3.1 и DD3.2 (выводы 13,2 и 12 соответственно), поэтому остальные RS-триггеры уже не смогут изменить своего состояния. Одновременно откроется транзистор VT1 и загорится лампа HL1, фиксирующая лидера.
А если первый игрок среагировал преждевременно, т.е. нажал кнопку SB1 до включения лампы "Старт"? В этом случае устройство будет работать так же, как и ранее, однако одновременно с загоранием лампы HL1 в этом случае зазвучит сигнал фальстарта. Этот звуковой сигнал формируется генератором на логических элементах DD6.3 и DD6.4, а работа генератора будет разрешена подачей напряжения высокого уровня, поданного с выхода DD5.1 на вход DD6.3. В случае своевременного старта генератор не заработает, поскольку на выводе 9 логического элемента DD6.3 будет напряжение низкого уровня, поданное через замыкающие контакты переключателя SB5.
В устройстве можно применить микросхемы серий К133, К134, К158, КР531, К555. Транзисторы КТ3117А можно заменить КТ603, КТ608, КТ801, КТ815 с любыми буквами, КТ315Б - любым из серий КТ201, КТ315, КТ503. Конденсатор С1 - оксидный К50-6, К50-16, К50-35; С2 - КМ-6, К10-17, К73-17. Кнопки, переключатели и разъемы - тех же типов, что и в предыдущем варианте игрового автомата.
Для питания устройства потребуется источник, обеспечивающий постоянное напряжение 5 В при токе не менее 300 мА. Он может быть собран, например, по схеме блока питания логического прибора "Версия", описание которого будет приведено ниже.
В игровой автомат "Кто быстрее?" при желании можно внести некоторые усовершенствования. Например, вместо ламп накаливания, определяющих лидера, можно применить цифровые индикаторы (газоразрядные, светодиодные или люминесцентные). При этом каждому игроку будет соответствовать свой цифровой индикатор, и высвечиваемая им цифра позволит определить, каким по счету он среагировал на полезный сигнал. Можно также ввести и электронный
секундомер - это позволит определять не только относительную, но и абсолютную реакцию игрока.
Рис. 26 Схема игрового автомата "Кто быстрее?" (вариант 1)
Рис. 27 Схема игрового автомата "Кто быстрее?" (вариант 2)
3.7 Логический прибор "Версия ".
3.7 Логический прибор "Версия"
На верхней панели такого прибора-автомата (рис. 28; расположение на рисунке элементов управления относится ко второму варианту прибора) находятся шесть кнопок и несколько табло. Нажимая эти кнопки в определенной последовательности, требуется зажечь световое табло "Конец". Добиться этого можно последовательным нажатием только трех определенных кнопок, а нажатие любой из трех других кнопок возвращает устройство в исходное состояние, т.е. сводит на нет все предыдущие ходы. Время, которое дается на ходы, ограничено.
Принципиальная схема прибора приведена на рис. 29. При подключении источника питания загорается лампа HL1, подсвечивающая табло "Начинайте игру". После этого игрок начинает нажимать кнопки SB1-SB6 в той последовательности, которую он считает правильной Допустим, первой нажата кнопка SB1. При этом сработает реле К1 и своими контактами К1 2 самоблокируется Начинается зарядка конденсатора С1, работающего в реле выдержки времени, а контакты К 1.1 подготавливают к срабатыванию цепь реле К2 и отключают табло "Начинайте игру" Если следующей будет нажата кнопка SB2, то сработает реле К2, а после нажатия кнопки SB3 - реле КЗ, которое контактами КЗ 2 зажжет лампу HL2 табло "Конец" - игра окончена. Но реле КЗ сработает только в том случае, если три кнопки будут нажаты именно в указанной последовательности: SB1-SB2-SB3. Если же будет нажата одна из кнопок SB4-SB6,
то все сработавшие ранее реле (К1-КЗ) отпустят. А если игрок не успеет угадать необходимую последовательность нажатия кнопок в течение заданного времени? В таком случае сработает реле К4 выдержки времени, и зажжется лампа HL3 табло "Время истекло". Таким образом, игрок, предлагая свою версия последовательности нажатия кнопок, должен включить табло "Конец".
По окончании каждого цикла игры устройство возвращают в исходное состояние нажатием кнопки SB7 "Сброс". Выигрывает тот из игроков, кто угадает нужную последовательность нажатия кнопок за наименьшее число попыток.
Как работает реле выдержки времени? После срабатывания реле К1 его контакты К 1.2 размыкаются, и начинается зарядка конденсатора С1 через резисторы R1 и R2. При определенном напряжении на положительной обкладке конденсатора откроется стабилитрон VD1, а также откроется составной транзистор VT1VT2 и сработает реле К4 - зажжется лампа HL3 табло "Время истекло". Резистор R3 ограничивает ток разрядки конденсатора.
О деталях устройства. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми из серий КТ312, КТ315, КТ503. Конденсатор С1 - оксидный К50-6, К50-16, К50-35. Реле К1-К4 - РЭС-9, паспорт РС4.524.200. Кнопки SB1-SB7 - КМ 1-1, П2К и др Источник питания прибора должен обеспечивать постоянное напряжение 18...20 В при токе не менее 300 мА.
Кнопки SB1-SB6 на лицевой панели прибора располагают в произвольном порядке.
Налаживание устройства состоит в установке подстроенным резистором R1 выдержки времени, равной 5...10 с.
Несколько рекомендаций по расширению возможностей игрового автомата. Во-первых, можно предусмотреть изменение требуемой последовательности нажатия кнопок, использовав для этого галетный переключатель. Во-вторых, игру можно сделать в расчете на двух игроков, которые будут делать ходы поочередно - игра станет интереснее.
Схема второго варианта игрового автомата "Версия", выполненного на тринисторах и интегральных микросхемах, показана на рис. 30. Логика его работы несколько отличается от предыдущего
варианта. На передней панели прибора (см. рис. 28) расположены шесть кнопок, каждой из которых присвоен порядковый номер. По сигналу автомата "Ход" требуется за 5. .7 с последовательно нажать три кнопки, после чего цикл можно повторить. Задача состоит в том, чтобы зажечь последовательно три лампы HL1-HL3, расположенные на передней панели прибора, и таким образом угадать искомое число. Каждую последующую цифру числа можно определять только после того, как отгадана предыдущая. Если, допустим, искомое число 132, а игрок нажмет одну за другой кнопки 2, 3, 1, то ни одна из ламп не загорится, хотя вторая цифра определена верно. В соответствии с этим выстраивают и версии поиска: сначала нужно найти первую цифру числа, затем, начиная последующие ходы с нажатия уже известной первой кнопки, определить вторую цифру, а затем - и третью.
Как работает это игровое устройство? После подключения его к сети выключателем Q1 следует нажать кнопку SB7 "Сброс". При этом кратковременно сработает реле К1 и своими контактами К 1.2 установит в исходное состояние RS-триггер на логических элементах DD1.3 и DD1.4, а также счетчик DD2. В отличие от RS-триггера, который устанавливается в нулевое состояние подачей напряжения низкого уровня на его вход, счетчик К155ИЕ2 устанавливается в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня на его входы &R0. В счетном режиме на этих входах должно быть напряжение низкого уровня. Счетные импульсы должны подаваться на вход С1, при этом на выходах 1, 2, 4, 8 появляются сигналы, соответствующие в двоичном коде числу импульсов, поданных на вход счетчика.
Итак, устройство в исходном состоянии, светится лампа HL5 "Ход". Можно нажимать кнопки. Допустим, игрок первой нажал кнопку SB1. При этом откроется тринистор VS1 и загорится лампа HL1. Если затем нажать кнопку SB2, то откроется тринистор VS2, на управляющий электрод которого будет подано напряжение с лампы HL1 через резистор R2 и замыкающие контакты кнопки SB2. Очевидно, что если лампа HL1 не светится, то тринистор VS2 не откроется.
Каждое нажатие одной из кнопок SB1-SB6 приводит к формированию на выходе RS-триггера DD1.1DD1.2 (вывод 3) импульса, и состояние счетчика DD2 будет увеличиваться на единицу. После поступления на счетчик четырех импульсов на выходе 4 микросхемы DD2 появится напряжение высокого уровня, откроется тринистор VS4 и загорится лампа HL4 "Нарушено". Таким образом, по правилам игры за один цикл поиска можно нажимать не более трех кнопок.
В устройстве предусмотрено и ограничение времени совершения ходов. После первого же нажатия одной из кнопок переключится в противоположное состояние RS-триггер DD1.3DD1.4 - на выводе 8 появится напряжение высокого уровня и через резистор R8 начнется зарядка конденсатора С1. Как только напряжение на нем достигнет 2...3 В, откроется составной транзистор VT1VT2 и сработает реле К1. Устройство возвратится в исходное состояние.
Диод VD1 обеспечивает быструю разрядку конденсатора С1 после возвращения устройства в исходное состояние.
Микросхемы устройства питаются от стабилизатора, выполненного на транзисторе VT4, который включен эмиттерным повторителем. Лампы и реле К1 питаются выпрямленным нестабилизированным напряжением, снимаемым с конденсатора С3.
В игровом автомате можно использовать микросхемы серий К133, К155, КР531, К555. Тринисторы - любые из серии КУ101. Транзисторы КТ315Б и КТ608Б можно заменить любыми из серий КТ608, КТ815, а также на КТ603А, КТ3117А. В качестве VT4 можно применить транзисторы типов КТ807, КТ815, КТ817 с любыми буквами. Диодную сборку КЦ405А можно заменить на КЦ402, КЦ405 с любыми буквами, а также на КЦ407А. Реле К1 - типа РЭС-9, паспорт РС4.524.201. Кнопки SB1-SB7 - типов КМ2-1, П2К, выключатель питания Q1 - тумблер любого типа (ТВ2-1, ТП1-2, МТ1 и др.). Трансформатор Т1 - ТВК-110Л-1 (использована обмотка II). Самодельный трансформатор может быть выполнен на магнитопроводе ШЛ 16х25. Обмотка I содержит 2400 витков провода ПЭВ-1 0,14, обмотка II - 250 витков провода ПЭВ-1 0,27.
Большая часть элементов устройства размещена на печатной плате (рис. 31). Транзистор VT4 установлен на небольшом радиаторе (площадью 20...30 см^2). Если монтаж выполнен без ошибок и все детали исправны, то в налаживании устройство не нуждается.
Это устройство - не только игра. Его можно использовать и для тренировки логичности мышления, способности быстро принимать решения. Для этого прибор можно усовершенствовать, например, ввести счетчик суммарного затраченного времени, счетчик числа ходов. Подумайте, как это сделать.
Рис. 28 Эскиз передней панели прибора "Версия"
Рис. 29 Схема логического прибора "Версия" (вариант 1)
Рис. 30 Схема варианта прибора "Версия" на тринисторах и микросхемах
Рис. 31а Печатная плата прибора "Версия" - расположение элементов
Рис. 31б Печатная плата прибора "Версия" - расположение печатных проводников
3.8 Рефлексометр.
3.8 Рефлексометр
Как известно, реакцией человека называют время, которое проходит от момента воздействия на наши органы чувств какого-либо раздражителя до момента принятия конкретных действий. Например, шофер увидел на дороге яму и нажал на тормоза. Промежуток времени "увидел - нажал" и будет составлять в этом
случае время реакции. Несомненно, есть люди с хорошей и плохой реакцией от рождения. Но реакцию можно тренировать. Хорошо подходит для этого прибор "Кто быстрее?", описание которого было приведено выше. Рефлексометр, о котором речь пойдет ниже, также предназначен для тренировки реакции и внимания.
Сущность работы рефлексометра состоит в следующем. На табло в случайной последовательности зажигаются цифры от 0 до 9. В течение времени горения цифры испытуемый должен успеть нажать кнопку с номером, соответствующим появившейся цифре. Если нажата нужная кнопка и в срок, в актив испытуемому засчитывается одно очко, в противном случае очко не засчитывается. Чем больше очков будет набрано, тем лучшими перечисленными выше способностями обладает человек.
Рассмотрим работу устройства по его принципиальной схеме, представленной на рис. 32. На микросхемах DD3-DD8 выполнены три декадных счетчика. На работе счетчика остановимся подробнее. Микросхема К155ИЕ2 представляет собой двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. Для обеспечения счетного режима работы выход первого триггера (вывод 12) соединен с входом второго триггера (вывод 1). Входные импульсы подают па вход С1 (вывод 14). Установка всех четырех триггеров счетчика в нулевое состояние обеспечивается подачей напряжения высокого уровня на входы &R0. В режиме счета импульсов на эти входы должно быть подано напряжение низкого уровня. При поступлении импульсов на вход С1 происходит последовательное переключение триггеров микросхемы таким образом, что число, записанное в триггерах и выведенное в двоичной форме на выходы 1-2-4-8, соответствует числу поступивших на счетчик импульсов после его сброса. Выходы счетчика соединены с соответствующими входами дешифратора (микросхема К155ИД1), который преобразует двоично-десятичный код в десятичный и управляет работой газоразрядного индикатора ИН-14.
Индикатор HG1 первого счетчика "выдает" случайные числа, второй счетчик фиксирует набранные очки, а третий считает общее число циклов. На логических элементах DD1.4 и DD2.1 собран генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования в несколько десятков килогерц, а на логических элементах DD1.1-DD1.3 - генератор инфранизкой (доли герца) частоты. Допустим, что второй генератор находится в состоянии, при котором на выходе элемента DD1.3 напряжение высокого уровня (на все элементы устройства подано питание, и микросхемы установлены в исходное состояние нажатием кнопки SB 11 "Сброс", а затем нажата кнопка SB12 "Пуск"). В этом случае на счетный вход С1 микросхемы DD3
будут поступать импульсы высокой частоты. Через некоторое время конденсатор С1 перезарядится, и на выходе DD1.3 появится напряжение низкого уровня, генератор DD1.4DD2.1 затормозится. Но счетчик DD3 многократно переполнялся импульсами генератора, поэтому после его остановки цифровой индикатор HG1 будет высвечивать практически случайное число. Допустим, это число "2". Тогда испытуемый должен нажать кнопку с таким же номером (SB2). Напряжение низкого уровня с вывода 8 дешифратора DD4 через диод VD4 и замыкающие контакты кнопки SB2, через резистор R10 поступит на базу транзистора VT3. Транзисторы VT2 и VT3 откроются. На вход RS-триггера DD2.2DD2.3 (вывод 4 микросхемы DD2) поступит напряжение низкого уровня и переключит его в противоположное предыдущему состояние. При этом с выхода триггера (вывод 8 микросхемы DD2) на вход второго счетчика поступит импульс, который запишет в счетчик одно очко. Если же испытуемый нажмет любую другую кнопку, кроме SB2, состояние RS-триггера и второго счетчика не изменится. После этого цикл работы рефлексометра повторится.
Импульсы с выхода элемента DD1.3 поступают на вход третьего счетчика, который фиксирует общее число циклов. После прихода на счетчик девятого импульса RS-триггер DD9.1DD9.2 сигналами с выходов 1 и 8 (выводы 12 и 11 микросхемы DD7) переключится в противоположное состояние, загорится лампа HL1, сигнализирующая об окончании одного цикла эксперимента. Индикатор HG2 высветит число набранных очков, которое в лучшем случае может быть равно 9. Для начала новой серии циклов необходимо нажать кнопку SB12 "Пуск".
Переменным резистором R3 можно изменять продолжительность свечения цифры, выдаваемой генератором случайных чисел (индикатор HG1), и тем самым упрощать или усложнять задачу испытуемого. Диоды VD1 и VD2 позволяют раздельно устанавливать длительность действия напряжений высокого и низкого уровней на выходе генератора. Транзистор VT4 отключает цифровой индикатор HG1 в моменты работы генератора случайных чисел и тем самым исключает мерцание цифр индикатора. Резисторы R6, R12, R14, конденсаторы СЗ, С4 обеспечивают необходимую помехоустойчивость микросхем рефлексометра.
Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми из серий КТ312, КТ315, КТ503; VT3 - любой из серий КТ203, КТ361, КТ502; VT4 -любой из серий П308, П309, КТ601, КТ604, КТ605, КТ940; VT5 -КТ603, КТ608, КТ3117, КТ815, КТ817 с любыми буквами. Диоды VD1,VD2 - любые из серий Д9, Д311, КД509, КД521, КД522;
VD3-VD12 - Д104А, Д105А, Д223А, Д223Б, КД521 (А-В), КД509А,
КД226 с любыми буквами (эти диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение не менее 70 В и малое прямое (0,5...1 В) напряжение). Конденсатор С1 - оксидный К50-6, К50-16, К50-35;
С2-С4 - типов КМ-6, К10-7, К10-17, КЛС. Переменный резистор R3 - СП-1, СПЗ-4ам, остальные резисторы - МЛТ-0,25. Кнопки SB I-SB 12 желательно применить с герконовыми контактами (у них малое усилие нажатия), однако при их отсутствии возможно использование кнопок и других типов. Цифровые газоразрядные индикаторы HG1-HG3 - типов ИН-1, ИН-4, ИН-8, ИН-12, ИН-14, ИН-18. Лампа HL1 - КМ6-60 или НСМ6,3-20.
Источник питания 5 В должен быть рассчитан на ток не менее 300 мА. Переменное напряжение для питания анодов цифровых индикаторов желательно подавать не непосредственно от сети, а снимать с одной из вторичных обмоток питающего трансформатора - это повысит и помехоустойчивость, и электробезопасность при работе с прибором.
Монтаж элементов рефлексометра выполнен на унифицированной печатной плате N 2 (см. рис. 16,6), соединения сделаны одножильным изолированным проводом. На передней панели прибора (рис. 33) расположены индикаторные лампы HG1-HG3 с соответствующими надписями около них, а также лампа HL4, кнопки SB I-SB 12 и ручка переменного резистора R3.
Если рефлексометр собран из исправных деталей и без ошибок, он начинает работать сразу. Следует лишь резисторами R10, R15, R16 установить необходимую яркость свечения цифровых индикаторов.
Рис. 32 Схема рефлексометра
Рис. 33 Эскиз верхней панели рефлексометра
3.9 Электронный светофор.
3.9 Электронный светофор
Беседы по правилам дорожного движения, проводимые учителями в начальных классах, могут стать более эффективными, если они будут сопровождаться демонстрацией модели автоматически действующего светофора.
Схема электронного светофора, выполненного на интегральных микросхемах, приведена на рис. 34 Принцип его работы иллюстрируют временные диаграммы, представленные здесь же.
Логические элементы DD1.1-DD1.3 образуют генератор импульсов с частотой около 1 Гц. Транзистор VT1 повышает входное сопротивление элемента DD1.1, что позволяет использовать в генераторе конденсатор С1 сравнительно небольшой емкости при большом сопротивлении резистора R1. Импульсы с выхода генератора поступают на входы элементов DD1.4 и DD2 1, работой которых управляет RS-триггер на элементах DD2.2 и DD2.3. Если на выводе 6 элемента DD2.2 напряжение высокого уровня, то импульсы поступают на вывод 4 микросхемы DD3, если же напряжение высокого уровня на выводе 8 элемента DD2.3, то импульсы подаются на вывод 5 микросхемы DD3
Эта микросхема (К155ИЕ7) - параллельный реверсивный четырехразрядный двоичный счетчик, работающий в коде 1-2-4-8. Вход R0 служит для установки счетчика в нулевое состояние, вход С - для предварительной записи в счетчик информации, поданной на входы (на схеме они не показаны). В данном случае на вход С постоянно подается напряжение высокого уровня, а на вход R0 - низкого уровня. При подаче счетных импульсов на вход +1 происходит увеличение числа, записанного в счетчик (прямой счет); если же импульсы поступают на вход -1, то число в счетчике уменьшается (обратный счет).
Сигналы с четырех выходов счетчика поступают на входы дешифратора DD4 (К155ИДЗ). В любой момент на одном из выходов этого дешифратора имеется напряжение низкого уровня, причем номер этого выхода соответствует десятичному эквиваленту двоичного числа, поданного на вход дешифратора.
Рассмотрим работу светофора при прямом счете импульсов. Когда на выходе элемента DD2.3 напряжение высокого уровня, на выходе элемента DD2.2 - напряжение низкого уровня. Импульсы с генератора через DD1.4 поступают на вход +1 микросхемы DD3. При этом происходит увеличение числа, записанного в счетчик, и напряжение низкого уровня появляется последовательно на выходах микросхемы DD4 Пока напряжение низкого уровня присутствует на выводах 1, 2, . ., 7 микросхемы DD4, на выходе микросхемы DD5 -
напряжение высокого уровня. В это время на выходе логического элемента DD8 1 имеется напряжение высокого уровня, срабатывает реле К1 и своими контактами К1 1 замыкает цепь питания лампы красного цвета (на схеме не показана) Лампы желтого и зеленого сигналов при этом не горят, так как на выходах элементов DD7.1 и DD8.4 - напряжение низкого уровня. При появлении напряжения низкого уровня на выводах 8, 9, 10 микросхемы DD4 на выводе элемента DD7.1 появится напряжение высокого уровня, сработает реле К2 и зажжется лампа желтого сигнала Продолжает гореть и красный сигнал, так как на выходе элемента DD8.2 - напряжение низкого уровня, а на выходе элемента DD8.1 - по-прежнему напряжение высокого уровня (заметим при обратном счете импульсов при напряжении низкого уровня на выводах 8,9,10 микросхемы DD4 на выходе элемента DD8.2 будет напряжение высокого уровня, поскольку RS-триггер DD2 2DD2 3 будет находиться уже в другом состоянии). При дальнейшем счете импульсов напряжение низкого уровня последовательно появляется на выводах 11, 13,...,17 микросхемы DD4. В это время реле К1 и К2 отпустят, а реле КЗ сработает, потому что на выходе микросхемы DD6 появится напряжение высокого уровня и на выходах элементов DD7.3 и DD8.4 - также напряжение высокого уровня. Горит лампа зеленого сигнала светофора. Когда напряжение низкого уровня появится на выводе 17 микросхемы DD4, RS-триггер переключится в противоположное состояние (см. импульс 16 временной диаграммы) Теперь импульсы будут поступать на вход -1 микросхемы DD3 и счет будет происходить в обратном направлении. Лампа зеленого сигнала
продолжает гореть. Когда напряжение низкого уровня появляется последовательно на выводах 14, 13 и 11 микросхемы DD4, зеленый сигнал "мигает". Это достигается подачей напряжения высокого уровня на выводы 9 и 10 элемента DD7.3 и импульсов с генератора на вывод 11 этого же элемента. При появлении напряжения низкого уровня на выводах 10, 9, 8 микросхемы DD4 сработает реле К2, а реле КЗ отпустит. При дальнейшем счете импульсов загорится лампа красного сигнала. При появлении напряжения низкого уровня на выводе 1 микросхемы DD4 RS-триггер переключается, начинается прямой счет импульсов, и весь цикл работы автомата повторяется.
Частоту генератора, а следовательно, и время горения сигнальных ламп светофора можно изменять подбором резистора R1. Вместо микросхем серии К155 можно использовать аналоги из серий К133, КР531, К555. Все резисторы - МЛТ-0,25. Конденсатор С1 - оксидный К50-6, К50-16, К50-35; С2 - К10-7, КМ-6, К10-17. Транзисторы КТ315Б (VT1-VT4) можно заменить на КТ312, КТ315, КТ503 с любыми буквами. Реле К1-КЗ - типа РЭС-22 (паспорт РФ4.500.129). Нормально разомкнутые контакты этих реле включают последовательно в цепи питания ламп светофора: К1.1 - с красной, К1.2 - с желтой, КЗ.1 - с зеленой. Использованы лампы напряжением 220 В и мощностью 25...60 Вт.
Для уменьшения обгорания контактов реле параллельно им следует включить искрогасящие цепи из последовательно соединенных резистора мощностью не менее 0,5 Вт и сопротивлением 100...200 Ом и конденсатора емкостью 0,1...0,5 мкФ на номинальное напряжение не менее 400 В. Для повышения помехоустойчивости работы микросхем лампы желательно питать постоянным напряжением. Еще лучше применить бесконтактную коммутацию ламп с помощью тиристоров, как это сделано в переключателе елочных гирлянд, описанном ниже. Тогда релеК1-КЗ не понадобятся.
Источник питания должен быть рассчитан на ток не менее 300 мА.
Монтаж устройства выполнен на унифицированной печатной плате 2 (см. рис. 16,б): выводы элементов припаивают к контактным площадкам платы, а соединения делают одножильным изолированным проводом.
Правильно собранное устройство начинает работать сразу после включения и дополнительного налаживания не требует.
Подумайте, как можно превратить этот светофор в "мигалку"? Такие светофоры устанавливают на перекрестках с небольшим движением транспорта.
Рис. 34а Принципиальная схема электронного светофора
Рис. 34б Временные диаграммы работы электронного светофора
4. Устройства бытового назначения.
Глава 4. Устройства бытового назначения .
4.1 Сторожевые устройства.
4.1 Сторожевые устройства
Для защиты дачного участка от непрошенных гостей, для ограждения опасных объектов можно использовать сторожевое устройство.
Схема такого устройства (первый вариант) показана на рис. 35. Объект, нуждающийся в охране, окружают по периметру медным обмоточным проводом диаметром 0,1...0,3 мм. Этот охранный шлейф может быть прикреплен к забору или к вбитым в землю колышкам. Концы шлейфа подключают к электронному автомату через гнезда XS1. Пока шлейф не поврежден, через его небольшое сопротивление база транзистора VT1 соединена с эмиттером. В это время транзистор и тринистор VS1 закрыты, потребляемый устройством ток (около 100 мкА) определяется в основном сопротивлением резистора R1 и начальным током коллектора транзистора. При обрыве шлейфа на базу транзистора через резистор R1 подается отрицательное напряжение смещения, которое открывает транзистор. Через открывшийся транзистор и резистор R3 поступает положительное напряжение на управляющий электрод тринистора VS1.
Тринистор при этом открывается, срабатывает электромагнитное реле К1 и своими контактами (на схеме не показаны) включает звуковой сигнализатор, например электрический звонок. После устранения обрыва провода автомат устанавливают в исходное состояние (дежурный режим) кратковременным выключением питания (SA1).
В устройстве можно применить транзистор из серий КТ203 КТ361, КТ502 со статическим коэффициентом передачи тока не менее 50. Тринистор может быть любым из серии КУ101. Электромагнитное реле К1 - типа РЭС-10 (паспорт РС4.524.304); батарея питания - 3336Л.
Налаживание устройства сводится к подбору резистора R1. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при отключении шлейфа транзистор VT1 полностью открывался (напряжение между эмиттером и коллектором не более 0,5 В) и срабатывало реле, а при подключенным шлейфе транзистор был бы надежно закрыт. Сопротивление резистора зависит от статического коэффициента передачи тока используемого транзистора и сопротивления провода шлейфа: чем они больше, тем больше может быть сопротивление резистора R1 и, следовательно, выше экономичность устройства.
На рис. 36,а приведена схема второго варианта сторожевого устройства, которое обладает еще большей экономичностью: потре-
бляемый в дежурном режиме ток не превышает 10 мкА, т. е. срок службы батареи питания определяется в основном ее саморазрядом. Это оказалось возможным благодаря применению высокоэкономичной микросхемы серии К176.
Работа этого сторожевого устройства, как и предыдущего. основана на выдаче тревожного сигнала при обрыве провода. которым окружают охраняемый объект. Этот охранный шлейф через двухконтактное гнездо XS1 включен между общим проводом питания и одним из входов логического элемента DD1.1. Вместе с логическим элементом DD1.2, резистором R2 и конденсатором С1 он образует генератор импульсов с частотой 2...3 Гц, а на элементах DD1.3, DD1.4, R3 и С2 собран генератор импульсов звуковой частоты (около 800 Гц). Транзистор VT1 выполняет роль усилителя мощности.
Пока шлейф не поврежден, генераторы не работают, так как на выводе 1 микросхемы присутствует напряжение низкого уровня. При обрыве охранного шлейфа начинают работать оба генератора и в телефоне НА1 слышны прерывистые звуковые сигналы. В этом режиме устройство потребляет от батареи ток около 5 мА.
Транзистор VT1 может быть любым из серий КТ312, КТ315. КТ3117, КТ503; конденсаторы С1, С2 - типа КМ-6 или К10-23;
резисторы - МЛТ-0,25. В качестве звукового излучателя применен микрофонный капсюль ДЭМШ-1А с сопротивлением обмотки постоянному току 180 Ом. Можно использовать и другие звуковые излучатели, имеющие достаточную громкость и сопротивление не менее 100 Ом. Выключатель питания SA1 - типа "тумблер" (ТП1-2. МТ1-1 и др.). Батарея GB1 - "Крона-ВЦ" или "Корунд".
Все детали сторожевого устройства, кроме выключателя SA1 и звукового излучателя НА1, смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. Зб,б,в). Батарея GB1 укреплена с помощью хомутика из жести. Плату можно поместить в любой корпус, например в пластмассовую мыльницу.
Если устройство собрано из исправных деталей и в монтаже нет ошибок, то оно начнет работать сразу. Однако может оказаться, что при обрыве провода звуковой сигнал не подается. Это может быть в том случае, если длина провода шлейфа велика и он плохо изолирован от различных токопроводящих предметов (влажного дерева, земли и пр.). При этом следует уменьшить сопротивление резистора R1; однако необходимо помнить, что чем меньше сопротивление этого резистора, тем хуже экономичность устройства.
Рассмотренные выше сторожевые устройства удобно применять для охраны объектов, где нет постоянного движения, приводящего к периодическому замыканию и размыканию защитных контактов.
Именно это имеет место в квартирах. Поэтому для охраны квартир и других аналогичных объектов с периодическим открыванием и закрыванием двери специально было разработано устройство охранной сигнализации, схема которого представлена на рис. 37 (третий вариант). Рассмотрим работу такого устройства.
Контакты охранного датчика обозначены на схеме SA1. При закрытой двери эти контакты замкнуты, при открытой - разомкнуты. Выключатель SA2 определяет режим работы устройства: "Блокировка" или "Охрана". В режиме "Блокировка", когда контакты выключателя SA2 замкнуты, тревожный сигнал устройства не зазвучит независимо от положения контактов датчика SA1. В этом режиме устройство находится, когда хозяева в квартире, и приходится часто открывать дверь (хотя на ночь устройство можно переключать в режим охраны).
Допустим, что на элементы устройства подано питание, контакты датчика SA1 и выключателя SA2 находятся в показанном на схеме положении. На выводе 11 микросхемы DD1, который является выходом RS-триггера, выполненного на логических элементах DD1.2, DD1.3, в этом случае действует напряжение низкого уровня. На логических элементах DD2.3, DD2.4 собран генератор частотой около 1 Гц для формирования прерывистого тревожного сигнала, а на логических элементах микросхемы DD3 - генератор звукового сигнала. Оба генератора заторможены, поскольку на выходе логического элемента DD2.2 - напряжение низкого уровня.
Если в таком режиме (режиме блокировки) разомкнуть контакты датчика SA1, то состояние RS-триггера не изменится, так как на выводе 2 логического элемента DD1.1 действует по-прежнему напряжение низкого уровня.
При уходе из помещения контакты выключателя SA2 размыкают-устройство переводится, в режим охраны. При этом начинается
зарядка конденсатора С1 через резистор R2. Пока конденсатор не зарядится до напряжения, равного напряжению переключения логического элемента DD1.1 по выводу 2, - можно открывать дверь, размыкая контакты датчика SA1 - RS-триггер не изменит своего состояния. Длительность задержки выбрана равной 15...20 с -за это время нужно выйти из помещения и закрыть дверь, возвратив контакты датчика SA1 в исходное состояние. Когда конденсатор С1 зарядится до нужного напряжения, устройство перейдет в режим охраны. Если теперь открыть дверь, то размыкание контактов датчика SA1 вызовет появление на выводе 1 логического элемента DD1.1 напряжения высокого уровня. Поскольку на выводе 2 этого элемента также напряжение высокого уровня, на выходе элемента DD1.1 появится напряжение низкого уровня, что приведет к переключению RS-триггера в противоположное состояние, соответствующее напряжению высокого уровня на выводе 11 логического элемента DD1.2. Возврат контактов датчика в. исходное положение не изменит состояния RS-триггера. Если в помещение вошел хозяин, то он возвратит RS-триггер в исходное положение изменением положения контактов SA2, т.е. их замыканием. Если же в помещение проник человек, не знающий о наличии охранной сигнализации, то он только закроет дверь.
Напряжение высокого уровня с вывода 11 элемента DD1.2 через резистор R3 будет заряжать конденсатор С2. Через некоторое время напряжение на конденсаторе С2 достигнет такого значения, которое логический элемент DD2.1 будет воспринимать как напряжение высокого уровня (по выводу 1). Поскольку на выводе 2 этого элемента тоже имеется напряжение высокого уровня, на выходе логического элемента DD2.1 появится напряжение низкого уровня, а
на выходе элемента DD2.2 - высокого уровня. Заработают оба генератора, и звуковой излучатель НА1 будет выдавать тревожный прерывистый сигнал. Этот сигнал будет звучать до тех пор, пока не замкнут контакты SA2 (но непрошеный о них не знает), либо до полного разряда батареи GB1.
Временная задержка, обеспечиваемая цепьюR3C2, необходима для того, чтобы при входе хозяина в квартиру он,успел включить режим блокировки и исключил тем самым возникновение тревожного сигнала.
Для получения максимально возможной мощности в излучателе НА1 при заданном его сопротивлении и при заданном напряжении батареи GB1 использован мостовой усилитель, выполненный на транзисторах VT1-VT4. Частота звукового сигнала, определяемая резисторами R8, R9 и конденсаторами С5, С6, выбрана равной примерно 2...3 кГц для обеспечения наилучшей слышимости.
Светодиод HL1 необходим для визуального контроля напряжения питающей батареи GB1. При нажатии кнопки SB1 параллельно батарее подключается нагрузочный резистор R11. Если под нагрузкой напряжение батареи меньше 5,4...5,6 В, то стабилитрон VD3 не входит в режим стабилизации и светодиод не загорается. Контроль батареи следует проводить каждые 3-4 дня.
О деталях устройства. Микросхемы серии К561 можно попробовать заменить микросхемами серии К176 - как правило, они работают при напряжении 6 В. Конденсаторы Cl, C2 - типа К73-17 либо оксидные К53-1, К53-4. Основное требование к ним-малый ток утечки. Конденсаторы СЗ, С5, С6-типов КМ-6, К10-7В, К73-17, С4 -К50-6, К50-16, К50-12, К50-24. Транзисторы VT1-VT4 могут быть типов КТ814, КТ815 либо соответственно КТ816, КТ817 с любыми буквами. Коэффициент передачи тока их должен быть не менее 60...70. Диоды VD1, VD2 - типов КД521, КД522, КД509, КД510, КД102 с любыми буквами. Датчик SA1 - любой нормально замкнутый контакт, например от реле РСМ, РКН или на основе геркона и магнита, например СМК-1. Выключатель SA2 - типа П2К, МТ1 (с фиксацией). Кнопка SB1 - типа П2К (без фиксации), КМ1-1. Излучатель НА1 кроме указанного на схеме может быть типа 2ГД36, 4ГД8Е, а также любой другой с сопротивлением катушки 4... 12 Ом и с возможно большим звуковым давлением. В качестве батареи GB1 использованы четыре гальванических элемента 316, соединенные последовательно. Ток, потребляемый устройством в режиме ожидания, не превышает 20 мкА, поэтому одного комплекта источника питания хватает на один год непрерывной работы.
Большая часть элементов смонтирована на печатной плате и заключена в подходящий корпус. Динамическая головка НА1 должна
быть расположена на лестничной клетке и закрыта металлическим щитом с отверстиями, так чтобы доступ к ней был затруднен. Корпус устройства следует располагать в потайном месте. Проводку к излучателю НА1 также нужно выполнить скрытно, чтобы исключить возможность ее повреждения.
Рис. 35 Принципиальная схема сторожевого устройства (первый вариант)
Рис. 36 Принципиальная схема сторожевого устройства (второй вариант)
Рис. 37 Принципиальная схема сторожевого устройства (третий вариант)
4.10 Автоматы лестничного освещения.
4.10 Автоматы лестничного освещения
Известно, что на ночное освещение подъездов жилых домов тратится огромное количество электроэнергии, причем большую часть времени свет горит впустую. Чтобы избежать ненужных затрат энергии, необходимо оснастить подъезды домов автоматами, включающими на непродолжительное время свет только тогда, когда в этом есть необходимость. Ниже приведены схемы двух вариантов автоматов лестничного освещения.
Схема первого из них представлена на рис. 89. Допустим, что питание подано на устройство, а конденсатор С2 разряжен. Стабилитрон VD2 и составной транзистор VT1VT2 в это время закрыты; на базу транзистора VT3 через резистор R3 подается положительное напряжение, открывающее этот транзистор. В цепи управляющего электрода тринистора VS1 течет ток, тринистор открыт и на этажах горят осветительные лампы (на схеме они обозначены EL1). По мере зарядки конденсатора С2 через резистор R2 напряжение на его обкладках увеличивается. Когда оно достигает напряжения стабилизации стабилитрона VD2, последний открывается, затем открываются транзисторы VT1, VT2, а транзистор VT3 закрывается. Тринистор VS1 также закрывается, и осветительные
лампы EL1 гаснут. В таком состоянии устройство находится большую часть времени, потребляя от сети ток около 2 мА. Для включения освещения необходимо нажать кнопку SB1.
Все элементы устройства, в том числе и осветительные лампы, питаются выпрямленным напряжением, снимаемым с диодного моста VD3-VD6. Напряжение, необходимое для работы транзисторного ключа и для зарядки конденсатора С2 (около 12 В), получается на выходе параметрического стабилизатора VD 1 R4. Конденсатор С 1 сглаживает пульсации напряжения. Резистор R1 ограничивает ток разрядки конденсатора С2 при нажатии кнопки SB1. Кроме того, наличие этого резистора повышает электробезопасность при пользовании устройством в случае нарушения изоляции кнопки SB1.
Подача напряжения на управляющий электрод тринистора VS1 с его анода (через открытый транзистор VT3) обеспечивает протекание тока в цепи управляющего электрода лишь до момента включения тринистора, т. е. в течение долей миллисекунды в начале каждого полупериода. В результате этого на транзисторе VT3 рассеивается очень незначительная мощность.
Неоновую лампу HL1 устанавливают рядом с кнопкой SB1, чтобы ее можно было легко отыскать в темноте. Такие же кнопки устанавливают на лестничных клетках этажей и соединяют их параллельно. Соответствующие им неоновые лампы подключают к сети через резисторы 200 кОм (на схеме - R6).
Максимальная суммарная мощность осветительных ламп, которыми может управлять автомат лестничного освещения, составляет 2 кВт. Тринистор VS1 должен быть установлен на радиаторе с поверхностью охлаждения около 300 см^2, диоды VD3-VD6 - на четырех радиаторах площадью по 70 см^2 каждый. Если мощность нагрузки не превышает 300 Вт, тринистор и диоды устанавливать на радиаторы не обязательно.
На рис. 90 приведена схема второго варианта автомата лестничного освещения, в котором используется микросхема К176ЛА7. Напряжение с конденсатора С2 поступает на входы логического элемента DD1.1. Пока напряжение на конденсаторе меньше напряжения порога переключения этого элемента, на его выходе -напряжение высокого уровня, которое открывает транзистор VT1. При этом открывается тринистор VS1 и подается напряжение на осветительные лампы EL1. При дальнейшей зарядке конденсатора С2 логический элемент DD1.1 переключается, на его выходе появляется напряжение низкого уровня, транзистор VT1 и тринистор VS1 закрываются и лампы гаснут.
На логических элементах DD1.2 и DD1.3 этой же микросхемы собран генератор, формирующий импульсы с частотой около 1 Гц. С такой частотой мигает неоновая лампа HL1, установленная около кнопки SB1.
Транзисторы КТ315Б можно заменить любыми из этой серии, а также использовать транзисторы КТ312, КТ316, КТ317, КТ201 с любыми буквами; КТ605Б можно заменить на КТ605А, КТ604, КТ904 с любыми буквами. Тринистор КУ202Н можно заменить КУ202М (К, Л), а если мощность ламп не будет превышать 400 Вт, то можно применять тринисторы КУ201К, КУ201Л. Диоды КД202К можно заменить на КД202 с буквами М, Н, Р, а также на любые из серий Д246, Д247, Д248. Стабилитрон КС212Ж можно заменить на Д814Г, Д814Д, КС213Ж, КС215Ж, КС168А - на КС168В, КС162А, КС156А, Д814А; КС182Ж - на Д814Б, КС182А, КС191А. Оксидные конденсаторы - типов К50-6, К50-16, К50-20 или К53-1; конденсатор СЗ (см. рис. 90) - типов КМ-б, К 10-17 или МБМ. Все резисторы -МЛТ. Кнопка SB1 - типов КП1, КЗ, КМ1-1, КМД1-1 или звонкового типа.
Налаживание устройства сводится к подбору сопротивления резистора R2 для получения нужной длительности свечения ламп. При обозначенном на схемах номинале резистора R2 длительность горения ламп составляет 2...3 мин. Корпус, в котором собран автомат лестничного освещения, устанавливают на одном из этажей здания. Кнопки SB1 с неоновыми лампами HL1 подключают к устройству проводами любого сечения. Осветительные лампы EL1 должны быть подключены проводами достаточного сечения; так, при суммарной мощности ламп 2 кВт сечение проводов должно быть 1,5...2 мм^2
При изготовлении и установке устройства следует особое внимание обратить на надежность изолирующих частей кнопок SB1.
Рис. 89 Схема автомата лестничного освещения (первый вариант)
Рис. 90 Схема автомата лестничного освещения на микросхеме (второй вариант)
4.11 Автомат уличного освещения.
4.11 Автомат уличного освещения
Схема автомата, позволяющего автоматически включать вечером и выключать утром уличное освещение, представлена на рис. 91. Датчиком освещенности является фоторезистор R4. Когда он затемнен, его сопротивление велико (несколько мегаом), на входах логического элемента DD1.1 - напряжение высокого уровня, такое же напряжение на выходе элемента DD1.2. Транзистор VT1 и тринистор VS1 открыты, и уличные осветители EL1 включены.
При наступлении рассвета сопротивление фотодатчика R4 уменьшается, логические элементы DD1.1 и DD1.2 переключаются в противоположные состояния, транзистор VT1 и тринистор VS1 закрываются и фонари на улице гаснут.
На логических элементах DD1.1, DD1.2 и резисторах R2, R3 выполнен триггер Шмитта. Это устройство, как и обычный (счетный) триггер, обладает двумя устойчивыми состояниями. Но в отличие от счетного триггера, состояние которого изменяется после прихода очередного импульса на вход, триггер Шмитта переключается при изменении уровня входного напряжения. Можно так подобрать резисторы R2 и R3, что пороги переключения при увеличении входного напряжения и при его уменьшении не будут равны между собой. Например, для нашего триггера при увеличении входного напряжения порог переключения может составлять 3 В, а при уменьшении напряжения 2 В. Разность порогов переключения называют гистерезисом триггера. Гистерезис тем больше, чем больше отношение R2/R3.
Если в автомате не использовать триггер Шмитта (т. е. резистор R3 исключить, а R2 замкнуть накоротко), то при изменении освещенности может наблюдаться мерцание осветительных ламп, при этом на выходе элемента DD1.2 будет напряжение, находящееся между напряжениями низкого и высокого уровней. В триггере Шмитта такого быть не может, поскольку обратная связь через
резистор R3 с выхода элемента DDL2 на вход элемента DD1.1 ускорит процесс переключения, сделает его лавинообразным. Такую обратную связь называют положительной. Работа триггера Шмитта уже рассматривалась при описании реле времени и регулятора мощности (см. рис. 52 и 72) для формирования прямоугольных импульсов из синусоидального сигнала.
В качестве датчика освещенности можно использовать фоторезисторы ФС-К (с любыми цифрами), а также фотодиоды ФД-1. ФД-2, ФД-3 (подключают катодом к резисторам R1, R2).
Фотодатчик следует располагать в таком месте, куда не попадает прямой свет фонарей EL1, иначе автомат будет работать неустойчиво. Резистором R1 можно изменять уровень освещенности, при которой включаются и выключаются осветители. Разницу в порогах включения и выключения осветительных ламп можно изменять подбором резистора R2.
Максимальная мощность осветительных ламп определяется типами тринистора VS1 и диодов VD2-VD5. В данном случае она составляет 2 кВт. Тринистор и диоды устанавливают на радиаторы.
Рис. 91 Принципиальная схема автомата уличного освещения
4.12 Регуляторы температуры.
4.12 Регуляторы температуры
Регуляторы температуры, или, как их еще называют, терморегуляторы, предназначены для поддержания заданной температуры жидкости (например, фотораствора, воды в аквариуме, воды в системе электрического водяного отопления), воздуха в теплице, в жилом помещении и пр.
Принцип работы любого терморегулятора состоит в плавном или скачкообразном изменении мощности нагревательного элемента в соответствии с температурой датчика.
В терморегуляторе со скачкообразным изменением мощности в нагрузке нагревательный элемент отключается, как только температура датчика достигает определенного значения, и выключается при понижении температуры до ее заданного значения. Нагревательный элемент при этом находится в одном из двух состояний: включен или выключен, поэтому регулятор с таким законом управления часто называют релейным.
Рассмотрим работу регулятора по его принципиальной схеме (рис. 92). Основой терморегулятора является триггер Шмитта, выполненный на логических элементах DD1.1, DD1.2 и резисторах R4, R5. На вход триггера поступает напряжение с делителя R1R2R3. Датчиком температуры служит терморезистор R3. При увеличении температуры его сопротивление уменьшается, и поданное на вход триггеров напряжение также уменьшается, что приводит к переклю-
чению триггера. При этом на его выходе (вывод 4 микросхемы) устанавливается напряжение низкого уровня, транзистор VT1 и тринистор VS1 закрываются, нагреватель, подключенный к гнезду XS1, обесточивается. Температура воздуха или жидкости начинает уменьшаться, и при некотором ее значении триггер вновь переключается, включается нагреватель. В процессе работы такие включения и выключения периодически повторяются.
Мощность нагревателя не должна превышать 200 Вт. Если мощность необходимо увеличить, следует подобрать тринистор VS1 и соответственно мощность выпрямителя VD2. Так, для мощности нагревателя 2000 Вт потребуются тринистор КУ202М и диоды Д246 (4 шт.), которые включают по схеме выпрямительного моста. Тринистор и диоды следует устанавливать на радиаторах с поверхностью охлаждения 300 см^2 (для тринистора) и 70 см^2 (для каждого диода).
Терморезистор R3 может быть любого типа, например КМТ-1, КМТ-4, КМТ-12, ММТ-6 и др.
Печатная плата терморегулятора показана на рис. 93.
Температуру, при которой происходит переключение триггера, устанавливают переменным резистором R1. Точность поддержания температуры отчасти определяется разницей между напряжениями срабатывания триггера, т.е. его гистерезисом, и может подстраиваться резистором R4. Использовать резистор сопротивлением менее 10 кОм не следует, так как излишне малый гистерезис триггера Шмитта может привести к неустойчивой работе терморегулятора.
Однако точность регулирования температуры определяется не только гистерезисом триггера Шмитта: на точность в большой степени влияют также масса нагревателя и среды (воды и пр.), т.е. инерционность системы. После выключения нагревателя температура окружающей среды некоторое время продолжает увеличиваться благодаря отдаче тепла от нагревателя в окружающую среду. Точно так же и при включении нагревателя температура среды начинает
повышаться не сразу, а с некоторой задержкой. Таким образом, возникает погрешность регулирования температуры, которая может .достигать нескольких градусов. Избавиться от этого недостатка можно применением терморегулятора с плавным регулированием мощности нагревательного элемента.
Схема такого терморегулятора представлена на рис. 94. Датчиком температуры является терморезистор R 11, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления (другими словами, его сопротивление уменьшается с повышением температуры). Терморезистор является одним из плеч делителя напряжения R11R14, сигнал с выхода которого поступает через резистор R 13 на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) (вывод 5 микросхемы DA3). На инвертирующий вход ОУ (вывод 4 микросхемы DA3) через резистор R 12 подается задающее напряжение с движка переменного резистора R9. Микросхема DАЗ усиливает поданные на ее входы сигналы, причем коэффициент усиления определяется сопротивлениями резисторов R12, R13, R15, R16; если соблюдается пропорция R13/R15=R12/R16, то коэффициент усиления К определяется соотношением K=R16/R12.
С выхода микросхемы DАЗ (вывод 10) усиленный сигнал поступает через резистор R6 на неинвертирующий вход компаратора (микросхема DA2).
Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов, поданных на .его входы. Компаратор представляет собой усилитель с высоким (десятки и сотни тысяч раз) коэффициентом усиления.
Выходные каскады усилителя выполнены таким образом, что напряжение на выходе компаратора может принимать одно из двух значений: высокого или низкого уровня, т. е. компаратор имеет цифровой выход.
Интегральный компаратор К554САЗ, используемый в терморегуляторе, имеет открытый коллекторный выход, рассчитанный на подключение нагрузки током до 50 мА. Выходной транзистор открыт (т. е. на выходе при подключенной нагрузке действует напряжение низкого уровня), если напряжение на выводе 4 больше напряжения на выводе 3 микросхемы DA2. При противоположном соотношении напряжений на выходе компаратора будет напряжение высокого уровня.
На инвертирующий вход компаратора (вывод 4) подается пилообразное напряжение, которое синхронизировано напряжением сети и имеет частоту 100 Гц. Генератор пилообразного напряжения выполнен на транзисторах VT1, VT2. Напряжение с выпрямительного моста VD1 (рис. 95, эпюра 1) поступает на базу транзистора VT1. Большую часть времени транзистор открыт, а в моменты, когда синусоидальное выпрямленное напряжение приближается к нулю, транзистор закрывается. На его коллекторе формируются короткие прямоугольные импульсы (рис. 95, эпюра 2), которые подаются на базу транзистора VT2. Пока напряжение на базе равно нулю, на коллекторе транзистора формируется нарастающее напряжение (конденсатор СЗ заряжается через резистор R4). В момент появления положительного импульса на базе транзистора VT2 последний
открывается, и напряжение на коллекторе уменьшается почти до нуля (точнее, до напряжения прямого падения на диоде VD4). На рис. 95 (эпюра 3) это напряжение показано штриховой линией.
На компараторе DA2 происходит сравнение пилообразного напряжения и положительного напряжения, снимаемого с выхода микросхемы DA3. На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы (рис. 95, эпюра 5). Нагрузкой компаратора являются резистор R5 и обмотка I трансформатора Т2. Диод VD3 защищает выход компаратора от всплесков напряжения, возникающих на обмотке I при переключении компаратора. Сигнал с обмотки II трансформатора Т2 подается на управляющий переход симистора VS1, в цепь которого включается нагрузка - нагреватель.
После включения устройства в сеть сопротивление датчика температуры R11 максимально, поскольку температура среды, в которую помещен датчик, минимальна. Следовательно, на неинвертирующий вход микросхемы DАЗ подано меньшее напряжение, чем на инвертирующий вход. На выходе операционного усилителя напряжение близко к нулю (поскольку это напряжение не может быть равно нулю, в цепь генератора пилообразного напряжения включен компенсирующий диод VD4; это позволяет открывать симистор VS1 в самом начале полупериода).
Таким образом, в начале каждого полупериода симистор будет открываться, подавая энергию в нагрузку. Мощность ее при этом максимальна. По мере повышения температуры среды сопротивление терморезистора R 11 уменьшается, а напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя DA3 увеличивается. Как только это напряжение превысит напряжение на выводе 4 микросхемы DA3, начнет увеличиваться выходное напряжение ОУ. При этом изменяется скважность выходных импульсов компаратора DA2 (рис. 95, эпюра 5) и уменьшается мощность нагрузки. В установившемся режиме средняя мощность нагревателя будет достаточной для поддержания требуемой температуры, заданной положением движка переменного резистора R9.
Поскольку в отличие от описанного выше устройства здесь не происходит полное отключение нагрузки, точность поддержания температуры терморегулятором выше.
Микросхему КР142ЕН8Б (DA1) можно заменить стабилизатором, собранным по любой из известных схем и обеспечивающим напряжение 10...12 В при токе не менее 150 мА. Компаратор К554САЗ (DA2) можно заменить на К521САЗ: операционный усилитель К553УД2 (DA3) - на К153УД2, К140УД7. Транзисторы VT1, VT2- любые из серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ3117. Выпрямительный мост VD1 - любой из серий КЦ402, КЦ405, КЦ407, диоды VD2-VD4 - КД509, КД510, Д220, Д223 с любыми буквами. Конденсатор С1 - типа К50-16, К50-6, С2, СЗ - КМ-6, КЛС, К10-23, С5 - КТ-1, КТ-2, К10-7В. Терморезистор R11 - КМТ, ММТ, СТ1, остальные резисторы - МЛТ. Тринистор КУ208Г можно заменить двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно - так, как это сделано, например, в регуляторе мощности (см. рис. 68). Трансформатор МИТ-4 (Т2) можно заменить на МИТ-10, МИТ-12. Данные самодельного трансформатора: кольцевой магнитопровод М2000НМ, типоразмер К20 х 10 х 6; все обмотки (две или три) выполнены проводом ПЭВ-2 0,31 и содержат по 40-50 витков. Начала обмоток на схеме обозначены точками.
Устройство, собранное из исправных деталей, начинает работать сразу. Для изменения пределов регулирования температуры следует подобрать сопротивления резисторов R8, R10, R14. При необходимости можно попробовать увеличить точность регулирования увеличением коэффициента усиления усилителя. Для этого сопротивления резисторов R15, R16 можно увеличить до 75...100 кОм.
Если не требуется высокая точность поддержания температуры. то усилитель на базе ОУ DA3 можно исключить. В этом случае резистор R8 заменяют терморезистором, а сигнал с движка переменного резистора подают на левый (по схеме) вывод резистора R6. Элементы R11-R16. С5, DA3 при этом не потребуются.
Рис. 92 Схема терморегулятора с релейным изменением мощности
Рис. 93 Монтажная плата терморегулятора
Рис. 94 Схема терморегулятора с плавным изменением мощности
Рис. 95 Временные диаграммы работы терморегулятора
4.13 Стабилизатор сетевого напряжения.
4.13 Стабилизатор сетевого напряжения
Для стабилизации напряжения питающей сети в бытовых условиях используют в основном феррорезонансные стабилизаторы. К числу их недостатков следует отнести искажение формы
кривой выходного напряжения, невозможность работы без нагрузки. Кроме того, выпускаемые промышленностью феррорезонансные стабилизаторы бытового назначения имеют небольшую мощность (300...400 Вт), которой нередко оказывается недостаточно, например, на садовом участке.
От указанных недостатков свободен стабилизатор напряжения, выполненный на базе регулируемого (лабораторного) автотрансформатора. Такой стабилизатор представляет собой систему автоматического регулирования, в которой часть выходного напряжения сравнивается с установленным образцовым напряжением. В зависимости от знака разности этих напряжений подвижный контакт автотрансформатора с помощью электродвигателя перемещается так, что выходное напряжение приближается к образцовому.
Принципиальная схема стабилизатора напряжения представлена на рис. 96. В качестве автотрансформатора Т1 использован выпускаемый промышленностью автотрансформатор типа АОСН-20-220-75У4. Его обмотки рассчитаны на ток до 20 А, а максимальное напряжение, снимаемое с подвижных контактов, 240 В.
Трансформатор выполнен на стержневом (П-образном) магнитопроводе. Обмотка состоит из двух частей, по каждой из которых скользит графитовый ползунок (В2 и ВЗ). Входное напряжение 220 В подается на контакты-отводы А2 и A3.
Пока контакты выключателя SA1 замкнуты, выходное напряжение с контактов В2 и ВЗ через резистор R1 поступает на диодный мост VD1. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором С1 и с ползунка подстроечного резистора R2 подаются на входы микросхем-компараторов DA1, DA2. На вторые входы компараторов подано образцовое напряжение, снимаемое с параметрического стабилизатора напряжения VD2R3 и с регулируемого делителя напряжения R4R5. Выходные напряжения компараторов через переключатель SA2 и светодиоды HL1, HL2 подаются на светодиоды оптронов Ul, U2. Динисторы оптронов включены в диагонали диодных мостов VD4. VD5, которые управляют подачей напряжения на обмотки мотора Ml - асинхронного реверсивного электродвигателя с редуктором типа РД-09. Если открыт динистор оптрона Ul, вал двигателя вращается в одну сторону; если же открыт динистор оптрона U2, то вал двигателя вращается в другую сторону.
Обмотки электродвигателя питаются напряжением 127 В, которое снимается с выводов 4 и 10 первичной обмотки трансформатора Т2. Конденсатор С4 обеспечивает необходимый сдвиг фаз между напряжениями на обмотках электродвигателя.
Источником питания компараторов DA1, DA2, параметрического
стабилизатора VD2R3 и делителя напряжения R4R5 служит интегральный стабилизатор, выполненный на микросхеме DA3.
Устройство работает следующим образом. Если выходное напряжение трансформатора Т1 соответствует норме, то напряжение на движке подстроенного резистора R2 будет меньше напряжения на выводе 3 компаратора DA1, но больше напряжения на выводе 4 компаратора DA2, а выходной ток обоих компараторов равен нулю. При этом динисторы обоих оптронов закрыты, ток через обмотки электродвигателя не протекает, и ползунки автотрансформатора Т1 неподвижны.
В случае повышения сетевого напряжения значения напряжения на контактах В2 и ВЗ трансформатора и на резисторе R2 также
увеличатся. В результате напряжение на выводе 4 компаратора DA1 превысит напряжение на выводе 3, и через вывод 9 компаратора потечет ток. Откроется динистор оптрона U2. Состояние компаратора DA2 при этом не изменится. Через диодный мост VD5 и обмотки электродвигателя Ml начнет протекать ток, заставляя вращаться вал. Ползунки будут перемещаться по виткам обмоток трансформатора Т1 в направлении уменьшения выходного напряжения. Через некоторое время напряжение достигнет нормы, компаратор DA1 переключится в исходное состояние, и электродвигатель остановится.
При понижении сетевого напряжения в активном состоянии окажутся компаратор DA2 и оптрон U1, и вал двигателя будет перемещать ползунки В2 и ВЗ в направлении увеличения выходного напряжения. Таким образом оно будет поддерживаться на заданном уровне.
Диапазон возможных значений выходного напряжения (т.е. точность стабилизации) определяется разницей в уровнях напряжения на выводе 3 микросхемы DA1 и выводе 4 микросхемы DA2 и устанавливается подстроечным резистором R4.
Конденсатор С 1 не только сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, но и фильтрует помехи, возникающие при кратковременных изменениях сетевого напряжения. Если продолжительность действия помехи не превышает 1,5... 2 с, устройство на нее не реагирует. Резистор R6 ограничивает ток через динисторы оптронов.
Выключатель SA1, кнопки SB1 и SB2 предназначены для управления электродвигателем в ручном режиме, когда электронный узел устройства отключен,. SF1 и SF2 - это контакты конечных выключателей. Когда ползунки В2 и ВЗ трансформатора Т1 оказываются в крайних положениях (верхнем или нижнем), контакты конечных выключателей размыкаются и отключают двигатель, исключая повреждение механических частей стабилизатора. Такое может случиться, например, при значительном снижении сетевого напряжения, если перемещение ползунков уже не приведет к установлению на выходе номинального значения напряжения. Переключатель SA2 позволяет изменять направление вращения вала двигателя. Такая необходимость может возникать в случае иного, чем на схеме, подключения выводов обмоток трансформатора Т1 либо в случае применения трансформатора Т1 другого типа (об этом будет сказано ниже).
Светодиоды HL1, HL2 позволяют визуально контролировать направление вращения вала электродвигателя.
В стабилизаторе напряжения можно применить детали следующих типов. В качестве компараторов могут работать также и
микросхемы типов К521САЗ, К521СА5, К521СА6. Последний тип микросхемы содержит два компаратора в одном корпусе. Оптроны U1 и U2 могут быть любыми из серии АОУ103, кроме АОУ103А, а также АОУ115Б (В). Диодные мосты могут быть, кроме указанных на схеме, типов КЦ402, КЦ405 с буквами А-В, Ж, И. Стабилитрон VD2 желательно использовать с малым значением температурного коэффициента напряжения, например, Д818 с любыми буквами. Но если к температурной стабильности регулируемого напряжения не предъявляются высокие требования, то возможно использование стабилитронов других типов с напряжением стабилизации б... 10 В, например, КС168А, КС175А, КС191А, Д814А (Б, В).
Конденсаторы С1,.С2 - оксидные К50-16, К50-6 или К50-29: СЗ -КМ-6, К 10-17; С4 - К73-17. Все постоянные резисторы - типов МЛТ, С2-23, С1-12; подстроенные R2 и R4 - СП5-2, СПЗ-19, СПЗ-38. Конечные выключатели SF1, SF2 и кнопки SB1, SB2 - КМ 1-1, КМ2-1;
переключатели SA1, SA2 - тумблеры ТЗ, П2Т-1-1, МТЗ.
Электродвигатель М 1 - типа РД-09 с редуктором, число оборотов выходного вала - 5...20 об/мин (коэффициент редукции 60...240). Такие двигатели применяются в самопишущих потенциометрах. В качестве трансформатора Т2 может быть использован ТПП238-127/220-50 или любой другой мощностью не менее 10 Вт, имеющий отвод в первичной обмотке на 127 В, вторичную обмотку на напряжение 18...22 В и ток не менее 100 мА.
Для преобразования вращательного движения вала электродвигателя в поступательное движение ползунков трансформатора Т1 использована винтовая пара с резьбой М12х 1,75. С ее винтом вал двигателя соединен через переходную втулку. При частоте вращения вала 15 об/мин выходное напряжение изменяется со скоростью около 0,5 В/с.
Настройка устройства заключается в установке величины номинального выходного напряжения резистором R2 и в установке точности регулирования напряжения резистором R4. В авторском экземпляре стабилизатора при номинальном напряжении 220 В точность регулирования составляла ±3%. Теоретически стабилизатор способен обеспечить точность регулирования в пределах десятых долей процента - для этого надо лишь увеличить емкость конденсатора С1. Но тогда он будет реагировать и на незначительные колебания сетевого напряжения, вызванные случайными причинами (например, подключением и отключением электроприборов); это может привести к преждевременному износу механических подвижных частей устройства.
В процессе настройки следует выбрать такое положение контактов переключателя SA2, чтобы при отклонении напряжения на
нагрузке от нормы вал двигателя вращался в направлении, обеспечивающем стабилизацию этого напряжения.
Данный стабилизатор был изготовлен для поддержания номинального напряжения 220 В в дачном домике в условиях значительного снижения напряжения питающей сети. При максимальной нагрузке (4,4 кВт) минимальное входное напряжение, при котором стабилизатор выполнял свою функцию, составляло около 180 В. При дальнейшем понижении напряжения сети срабатывал концевой выключатель, и режим стабилизации прекращался, поскольку ползунки находились в крайнем нижнем (по схеме) положении. Чтобы избежать такой ситуации, можно рекомендовать поменять местами выводы обмоток трансформатора А2АЗ и В2ВЗ и одновременно изменить положение контактов переключателя SA2. При этом сетевое напряжение будет подаваться на скользящие контакты В2ВЗ, а нагрузка будет подключена к выводам обмоток А2АЗ. Теперь стабилизация будет обеспечиваться при сколь угодно глубоком понижении напряжения сети (даже до 50...60 В), однако следует помнить, что поскольку в любом случае ток через отводы В2ВЗ не может превышать 20 А, максимальный выходной ток должен быть во столько раз меньше этого значения, во сколько раз выходное напряжение больше входного. Это следует из условия равенства мощностей входной и выходной цепей.
Но такой способ включения частей обмотки имеет недостаток:
при резком увеличении входного напряжения к электросети через ползунки В2ВЗ окажется подключенным несоразмерно малое число витков обмотки трансформатора, и пока система автоматического регулирования будет отрабатывать входное воздействие, через контакты В2ВЗ будет протекать чрезмерно большой ток, а на нагрузке будет действовать недопустимо большое напряжение. Для частичного предотвращения этого недостатка можно ограничить перемещение ползунков автотрансформатора соответствующей установкой концевого выключателя, который бы срабатывал при снижении входного напряжения до 150... 160 В, и дальнейшее перемещение ползунков в сторону уменьшения числа витков обмоток, подключаемых к сети, прекращалось.
Устройство пригодно для стабилизации выходного напряжения в диапазоне от единиц вольт до 220 В. Для обеспечения выходного напряжения меньше 70...80 В первичную обмотку трансформатора Т2 следует питать непосредственно от сети 220 В и, кроме того, уменьшить величину резистора R1 до 47... 56кОм. Для выходного напряжения менее 10 В стабилитрон VD2 придется заменить другим, напряжение стабилизации которого должно быть на 1...2 В меньше. чем стабилизируемое. В качестве трансформатора Т1 можно также использовать тороидальные автотрансформаторы типов ЛАТР-2, ЛАТР-9, однако в этом случае допустимая мощность нагрузки уменьшится; придется также применить двигатель РД-09 с меньшим числом оборотов (1...2 об/мин) и подобрать соответствующее положение контактов переключателя SA2.
Данное устройство удобно использовать в школе на уроках физики, а также в радиокружке при настройке устройств.
Для обеспечения надежной звукоизоляции следует автотрансформатор установить на жестком основании через войлочные или резиновые прокладки, которые обладают, хорошими звукопоглощающими свойствами.
Рис. 96 Принципиальная схема стабилизатора сетевого напряжения
4.2 Переключатели елочных гирлянд.
4.2 Переключатели елочных гирлянд
Накануне Нового года многих радиолюбителей волнует вопрос:
как оживить новогоднюю елку? Ниже предлагаются несколько вариантов переключателей елочных гирлянд, различающихся по степени сложности и реализуемым световым эффектам.
Простейший переключатель поочередно коммутирует две гирлянды (рис. 38). На логических элементах DD1.1, DD1.2 выполнен генератор, а на транзисторах VT1, VT2 собраны высоковольтные ключи для управления тринисторами VS1, VS2. Питание на микросхему подается от параметрического стабилизатора R4VD1 с конденсатором С1. Постоянное напряжение как для микросхемы DD1, так и для ламп гирлянд EL1, EL2 снимается с выпрямительного моста VD2.
Для создания эффекта "Бегущий огонь" необходимо поочередно переключать не менее трех гирлянд. Схема переключателя (первый вариант), управляющего тремя гирляндами, представлена на рис. 39. Основу устройства составляет трехфазный мультивибратор, выполненный на трех инвертирующих логических элементах микросхемы
DD1. Времязадающие цепи образованы элементами R1-R3, С1-СЗ. В любой момент на одном из выходов логических элементов имеется напряжение высокого уровня, которое открывает транзисторно-тринисторный ключ. Следовательно, одновременно светятся лампы только одной гирлянды. Поочередное переключение ламп гирлянд EL1-EL3 позволяет получить эффект "Бегущий огонь".
В мультивибраторе могут работать инверторы микросхем серий К555 и К155. Во втором случае сопротивления резисторов R1-R3 не должны превышать 1 кОм. Можно использовать и КМОП-микросхемы (К176, К561), при этом сопротивления времязадающих резисторов можно будет увеличить в 100...1000 раз, а емкости конденсаторов С1-СЗ во столько же раз уменьшить.
Изменение частоты переключения гирлянд можно производить изменением сопротивления резисторов R1-R3. Одновременно управлять ими затруднительно (строенных переменных резисторов для широкого применения промышленность не выпускает). Это является недостатком данного переключателя гирлянд.
На рис. 40 приведена схема переключателя гирлянд (второй вариант) с регулируемой скоростью движения "Бегущего огня".
Как работает это устройство? На логических элементах DD1.1, DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов, частота следования которых составляет 0,2...1 Гц. Импульсы поступают на вход счетчика, состоящего из двух D-триггеров DD2.1 и DD2.2 микросхемы DD2. Благодаря наличию обратной связи между элементом DD1.3 и входом R триггера DD2.1 счетчик имеет коэффициент пересчета 3 и в любой момент закрыт один из транзисторов VT2-VT4. Если, допустим, закрыт VT2, то положительное напряжение с
его коллектора будет подано на управляющий электрод тринистора VS1, тринистор откроется и загорятся лампы гирлянды EL1. Частоту переключения регулируют переменным резистором R3 генератора.
В устройстве микросхемы серии К155 можно заменить соответствующими аналогами из серии К 133. Транзисторы VT1-VT4 могут быть из серий КТ315, КТ3117, КТ603, КТ608 с любыми буквами. Тринисторы VS1-VS3 могут быть типов КУ201, КУ202 с буквами К-Н.
Источник, питающий микросхемы и транзисторы устройства, должен быть рассчитан на ток не менее 200 мА.
Недостатком переключателя является необходимость применения трансформаторного блока питания. Это обусловлено сравнительно большим током, потребляемым микросхемами К155ЛАЗ и К155ТМ2. Существенно уменьшить ток потребления можно, применив КМОП-микросхемы, в этом случае питание микросхем может осуществляться от простейшего параметрического стабилизатора, как это сделано в переключателе двух гирлянд (см. рис. 38).
Схема переключателя трех гирлянд (третий вариант) на микросхемах серии К561 представлена на рис. 41,а. Генератор выполнен на логических элементах DD1.1, DD1.2, а счетчик с коэффициентом
пересчета 3 - на двух D-триггерах микросхемы DD2. Эпюры напряжений на выходах логических элементов показаны на рис. 41,6. Они помогут понять логику работы устройства. Транзисторно-тринисторные ключи для управления гирляндами, выпрямитель и стабилизатор для питания микросхем - такие же, как и в переключателе по схеме рис. 39 (в качестве стабилитрона VD1 в этом случае нужно использовать КС191Ж или Д814В).
У описанных выше устройств "Бегущего огня" есть общий недостаток: неизменность логики работы. Лампы в гирляндах переключаются только в установленном порядке, изменять можно лишь частоту переключения. В то же время желательно, чтобы иллюминация была как можно более разнообразной, не надоедала и не утомляла зрение. Это означает, что должна быть предусмотрена возможность изменения не только продолжительности горения ламп, но и очередности их переключения.
На рис. 42 приведена схема переключателя гирлянд, отвечающего этим условиям.
"Сердцем" устройства является микросхема К155РУ2 - оперативное запоминающее устройство на 16 четырехразрядных слов (под словом в данном случае понимается совокупность логических нулей и единиц, например 0110, 1101 и т. д.). Как действует такая микросхема? Ее четыре входа (D1-D4) предназначены для подачи информации, которую нужно записать в память. Эти входы называются информационными. На четыре других входа (А1-А4) подают двоичный код адреса ячейки, которую требуется выбрать для записи или считывания информации. Эти входы называют адресными. Изменяя двоичный код на этих входах от 0000 до 1111, можно обратиться к любой из 16 ячеек. Подавая сигнал на вход W, выбирают нужный режим работы микросхемы: если на входе W напряжение низкого уровня, то производится запись в ячейку, а если напряжение высокого уровня, то можно считывать информацию, хранящуюся в ячейках памяти микросхемы. При считывании информация поступает на выходы С1-С4. Выходы у микросхемы - с открытым коллектором, причем если в ячейке памяти записана логическая 1, то соответствующий транзистор выхода будет открыт (разумеется, в его коллекторную цепь должна быть включена нагрузка - резистор).
Таким образом, для записи числа в какую-либо ячейку памяти необходимо подать на входы D1-D4 соответствующие логические уровни, а на входы А1-А4 - двоичный код адреса требуемой ячейки. Затем на вход W подают напряжение низкого уровня - и информация записана. Для считывания информации необходимо подать на вход W напряжение высокого уровня. Тогда при смене кода адреса на
выходах С1-С4 будут появляться сигналы, соответствующие, содержимому соответствующих ячеек.
Вход V служит для разрешения работы микросхемы: при подаче на него напряжения высокого уровня запись и считывание не производятся.
Рассмотрим работу переключателя по его принципиальной схеме. С помощью кнопок SB6 "Пуск" и SB7 "Сброс" устанавливают требуемый режим работы устройства: после нажатия кнопки "Сброс" можно производить запись программы в ячейки памяти микросхемы, а после нажатия кнопки "Пуск" происходит считывание записанной программы.
При нажатии на кнопку SB7 "Сброс" RS-триггеры, собранные на логических элементах DD1.1 и DD1.2, DD1.3 и DD1.4,DD2.1 и DD2.2, DD2.3 и DD2.4, DD4.1 и DD4.2, установятся в исходное состояние, при котором на выходах логических элементов DD1.1, DD1.3, DD2.1, DD2.3 и DD4.1 - напряжение низкого уровня. Поступая на вывод 12 логического элемента DD4.4, оно запрещает работу тактового генератора, собранного на логических элементах DD4.3, DD4.4 и транзисторе VT1.
Затем с помощью кнопок SB1-SB4 набирают двоичное слово для записи в первую ячейку памяти. Допустим нам требуется записать 0111. Для этого нужно нажать кнопки SB2, SB3, SB4. При этом триггеры DD1.3DD1.4, DD2.1DD2.2, DD2.3DD2.4 переключатся и зажгутся светодиоды HL2, HL3, HL4. После этого нажимают кнопку SB5 "Запись". Импульс с выхода триггера (вывод 3 логического элемента DD3.1) через дифференцирующую цепь C2R13 и логический элемент DD3.3 поступает на вход W микросхемы памяти DD6. Дифференцирующая цепь C2R13 и логический элемент DD3.3 работают таким образом, что после нажатия кнопки SB5 "Запись" на вход W поступает короткий (длительностью несколько наносекунд) отрицательный импульс, который обеспечивает запись информации, поданной на информационные входы D1-D4 по адресу в соответствии с двоичным кодом на адресных входах А1-А4. В момент отпускания кнопки SB5 "Запись" импульс с выхода логического элемента DD3.1 через конденсатор С1 установит в исходное состояние все RS-триггеры, в которые было предварительно записано двоичное слово. Импульс, поступивший с выхода логического элемента DD3.4 на вход С1 двоичного счетчика DD5, увеличит на единицу адрес (двоичный код которого снимается с выводов 12, 9, 8 и 11 рассматриваемой микросхемы). Заметим, что установка в исходное состояние счетчика адреса DD5 не производится (выводы 2 и 3 для обеспечения счетного режима соединены с общим проводом).
После этого кнопками SB1-SB4 набирают новое двоичное слово программы, нажимают кнопку SB5 "Запись" и т. д. - пока в микросхему памяти не будет записана вся программа из 16 четырехразрядных двоичных слов. После того как программа записана, нажимают кнопку SB6 "Пуск", триггер DD4.1 DD4.2 изменяет свое состояние на противоположное, начинает работать генератор на логических элементах DD4.3, DD4.4, импульсы которого поступают на счетчик DD5 и изменяют код адреса ячейки. На входе W теперь все время находится логическая 1, поскольку на выходе логического элемента DD4.2 - логический 0, который подается на вход логического элемента DD3.3. На выходах С1-С4 микросхемы К155РУ2 появляются логические уровни, соответствующие записанной в ячейках памяти информации. Сигналы с выходов С1-С4 усиливаются транзисторными ключами VT2-VT5 и затем поступают на управляющие электроды тринисторов VS1-VS4. Тринисторы управляют четырьмя гирляндами ламп, условно обозначенными на схеме EL1-EL4. Допустим, что на выходе С1 микросхемы DD6 имеется логический 0. В этом случае транзистор VT2 закрыт, через резистор R21 и управляющий электрод тринистора VS1 протекает ток, тринистор открывается и зажигает лампы гирлянды EL1. Если же на выходе С1 логическая 1, то лампы EL1 гореть не будут.
Микросхемы устройства питаются от стабилизированного выпрямителя, собранного на диодном мосте VD2-VD5, стабилитроне VD1 и транзисторе VT6. Лампы гирлянд EL1-EL4 питаются выпрямленным напряжением, снимаемым с диодного моста VD6-VD9. Для отключения гирлянд служит выключатель Q2, для отключения от сети остальных элементов устройства-выключатель Q1.
В устройстве применены следующие детали. Транзисторы VT2-VT5 могут быть любыми из серий КТ3117, КТ503, КТ603, КТ608, КТ630, КТ801; VT1 - любой из серий КТ503, КТ312, КТ315, КТ316;
VT6 - любой из серий КТ801, КТ807, КТ815. Тринисторы КУ201Л (VS1-VS4) можно заменить на КУ202 с буквами К-Н. Диоды VD2-VD5 помимо указанных могут быть типов Д310, КД509А, КД510А;
можно также использовать мостовые выпрямители КЦ402, КЦ405, КЦ407 (с любыми буквенными индексами).
Диоды КД202К (VD6-VD9) можно заменить на КД202 с буквами Л-Р, а также на Д232, Д233, Д246, Д247 с любыми буквами. Конденсаторы С1, С2 - типа К10-7, К10-23, КЛС или КМ-6; СЗ-С5 -К50-6, К50-16 или К50-20. Все постоянные резисторы - типа МЛТ;
переменный резистор R 16 - СП-1, СП-0,4. В устройстве можно использовать кнопки типа КМ 1-1 или КМ Д 1-1. Можно также
использовать кнопки других типов (например, П2К без фиксации положения). Выключатели Q1 и Q2 - типа "тумблер" (ТВ2-1, ТП1-2, Tl, MT1 и др.). Трансформатор питания 01 выполнен на ленточном магнитопроводе ШЛ 16х20. Обмотка I содержит 2440 витков провода ПЭВ-1 0,08, обмотка II - 90 витков провода ПЭВ-1 0,51. Можно использовать и любые другие трансформаторы мощностью 10...20 Вт, имеющие вторичную обмотку на напряжение 8...10 В и ток 0,5...0,7 А. Подойдут трансформаторы ТВК-70Л2, ТВК-110ЛМ, у которых часть витков вторичной обмотки должна быть удалена для получения нужного напряжения.
Большая часть элементов устройства смонтирована на текстолитовой плате с размерами 120 х 145 мм (рис. 43,а). Монтаж выполнен
проводами. Транзистор VT6 установлен на дюралюминиевом уголке площадью около 30 см^2 (он служит радиатором). Диоды VD6-VD9 и тринисторы VS1-VS4 установлены на плате без радиаторов, при этом суммарная мощность переключаемых ламп не должна превышать 500 Вт. Кнопки SB1- SB7 (типа КМ1-1) установлены: на планке из текстолита (рис. 43,6), которая крепится к основной плате двумя винтами МЗ.
За пределами платы находятся следующие элементы: трансформатор питания Tl, держатель предохранителя FU1, выключатели питания Q1 и Q2, переменный резистор R 16. Элементы платы соединены с ними многожильным проводом. Провода, соединяющие аноды тринисторов VS1-VS4 с лампами EL1-EL4, припаяны непосредственно к лепесткам тринисторов.
Сечение проводов, которыми выполнены силовые цепи, должно быть не менее 1 мм^2.
Конструкция устройства произвольная. На верхней крышке корпуса должны быть расположены кнопки SB1-SB7, выключатели питания Q1 и Q2, светодиоды контроля записи программы HL1-HL4, а также ручка переменного резистора R 16, с помощью которого изменяют скорость переключения гирлянд. На боковой стенке корпуса установлены держатель предохранителя FU1 и гнезда для подключения гирлянд (на схеме они не показаны).
Если все детали исправны и в монтаже нет ошибок, то устройство начинает работать сразу. Следует отметить, что достигаемые световые эффекты во многом зависят от взаимного расположения ламп гирлянд. Наиболее распространенным является такое их расположение, когда за лампой первой гирлянды следует лампа второй гирлянды, затем третьей, четвертой и т. д. На рис. 44 показана схема такого включения ламп.
Программирование переключателя ведут следующим образом. Вначале на бумаге составляют программу, представляющую собой запись состояния ламп всех четырех гирлянд в каждом из 16 тактов
работы устройства. Включенное состояние гирлянды обозначают логической 1, выключенное - логическим 0. Затем нажатием кнопки SB7 "Сброс" устанавливают микросхемы устройства в исходное состояние. После этого последовательным нажатием кнопок SB1-SB4 набирают .первое слово программы, обращая внимание на зажигание светодиодов HL1-HL4, и нажимают кнопку SB5 "Запись". Так производят запись информации во все 16 ячеек микросхемы. Затем нажимают кнопку SB6 "Пуск" - переключатель переходит в рабочий режим.
При программировании следует помнить, что информация должна быть записана во все 16 ячеек памяти микросхемы, поскольку при включении питания состояние этих ячеек оказывается неопределенным.
В табл. 3 показаны некоторые варианты программирования переключателя гирлянд для получения разнообразных световых эффектов. Логические 1 в каждом слове слева направо показывают, какие из кнопок SB1-SB4 соответственно следует нажать.
Первая и вторая программы обеспечивают эффект "бегущего огня", остальные программы - более сложные эффекты. Число программ, которые можно реализовать с помощью данного устройства, велико, и это открывает простор для фантазии оператора. Следует также помнить, что изменение скорости переключения гирлянд открывает широкие возможности для получения различных световых эффектов.
Суммарная мощность ламп, переключаемых устройством, может быть увеличена до 1500 Вт, при этом диоды VD6-VD9 должны быть установлены на радиаторы площадью 40... 50 см^2 каждый.
Если в распоряжении радиолюбителя имеются симметричные тиристоры (симисторы) серии КУ208Г, их также можно использовать для управления лампами гирлянд. Подключать симисторы следует в соответствии со схемой, представленной на рис. 45
(изображена схема только одного канала, остальные-аналогичные). Сопротивления резисторов R21-R24 (см. рис. 42) в этом случае необходимо увеличить до 1...3 кОм. Транзисторы КТ605А можно заменить на КТ605Б, КТ940А, диодные мосты VD6 могут быть КЦ402, КЦ405 с буквами А, Б, Ж, И.
Второй вариант симисторного узла коммутации представлен на рис. 46. Его отличие от предыдущего в том, что транзисторные ключи VT2-VT5 с резисторами R21-R24 (см. рис. 42) заменены инвертирующими логическими элементами микросхемы DD7 (резисторы R17-R20 в схеме рис. 42 при этом сохраняются). Такое схемное решение несколько упрощает конструкцию.
Узел управления симисторами можно сделать еще более простым, если использовать электромагнитные реле (рис. 47). Обмотки реле, как видно из схемы, включены вместо резисторов R21-R24. В переключателе могут работать любые реле, срабатывающие от напряжения 8...12 В при токе до 100 мА, например РЭС-10 (паспорта РС4.524.303, РС4.524.312), РЭС-15 (паспорта РС4.591.003, РС4.591.004, РС4.591.006), РЭС-47 (паспорта РФ4.500.049, РФ4.500.419), РЭС-49 (паспорт РС4.569.424). Кроме простого схемного решения имеется еще одно преимущество - гальваническая развязка низковольтной части устройства от сети питания, что увеличивает безопасность пользования переключателем. Недостатком же является меньший срок службы, вызванный износом
контактов реле.
И в заключение еще одна рекомендация. При выключении напряжения сети питания (даже кратковременном - несколько
секунд) разрушается программа, записанная в микросхему памяти. Поэтому целесообразно предусмотреть аварийное переключение цепей питания микросхем устройства на питание от гальванической батареи или аккумулятора. Схема, позволяющая реализовать это, показана на рис. 48.
В нормальном режиме микросхемы переключателя питаются от выпрямителя, и ток протекает через диод VD11. Диод VD10 при этом закрыт, поскольку к нему приложено небольшое (0,5...1 В) обратное напряжение. При отключении сетевого питания закрывается диод VD11, но открывается диод VD10, и питание микросхемы осуществляется от батареи GB1. Конденсатор С6 гасит импульсы напряжения, которые возникают в моменты переключения питания с сетевого на батарейное и наоборот, и таким образом повышает помехоустойчивость устройства. Диоды VD10, VD11 могут быть любого типа, допускающие ток не менее 300 мА (например, подойдут Д226, КД105 с любыми буквами). Батарея GB1 - 3336Л. При использовании в переключателе этого узла следует обратить внимание на выходное напряжение выпрямителя: оно должно составлять 5...5,5 В (но не менее 5 В), в противном случае может происходить постоянная разрядка батареи GB1. Продолжительность питания от батареи зависит от ее емкости. При длительных пропаданиях напряжения в сети (более 15...20 мин) такое аварийное питание нецелесообразно, поскольку лампы гирлянд все равно не работают, а новую программу можно набрать всего лишь за 3...5 мин.
Рис. 38 Схема простейшего переключателя двух гирлянд
Рис. 39 Схема переключателя трех гирлянд (первый вариант)
Рис. 40 Схема переключателя трех гирлянд (второй вариант)
Рис. 41 Принципиальная схема переключателя трех гирлянд (третий вариант)
Рис. 42 Принципиальная схема переключателя гирлянд с микросхемой памяти
Рис. 43 Монтажная плата переключателя гирлянд
Рис. 44 Схема включения ламп в гирляндах
Рис. 45 Коммутация ламп симистором
Рис. 46 Второй вариант коммутации ламп симистором
Рис. 47 Схема коммутации лам при помощи реле и симистора
Таблица 3. Некоторые варианты программирования переключателя гирлянд
4.3 Реле выдержки времени.
4.3 Реле выдержки времени
Реле выдержки времени применяют для включения на какое-то определенное время нагрузки, например лампы фотоувеличителя, электроплитки и др.
Простое реле времени, рассчитанное на включение нагрузки на несколько десятков секунд, можно собрать по схеме рис. 49.
В реле времени использован однопереходный транзистор VT1. Что он представляет собой?
(изображена схема только одного канала, остальные-аналогичные). Сопротивления резисторов R21-R24 (см. рис. 42) в этом случае необходимо увеличить до 1...3 кОм. Транзисторы КТ605А можно заменить на КТ605Б, КТ940А, диодные мосты VD6 могут быть КЦ402, КЦ405 с буквами А, Б, Ж, И.
Второй вариант симисторного узла коммутации представлен на рис. 46. Его отличие от предыдущего в том, что транзисторные ключи VT2-VT5 с резисторами R21-R24 (см. рис. 42) заменены инвертирующими логическими элементами микросхемы DD7 (резисторы R17-R20 в схеме рис. 42 при этом сохраняются). Такое схемное решение несколько упрощает конструкцию.
Узел управления симисторами можно сделать еще более простым, если использовать электромагнитные реле (рис. 47). Обмотки реле, как видно из схемы, включены вместо резисторов R21-R24. В переключателе могут работать любые реле, срабатывающие от напряжения 8...12 В при токе до 100 мА, например РЭС-10 (паспорта РС4.524.303, РС4.524.312), РЭС-15 (паспорта РС4.591.003, РС4.591.004, РС4.591.006), РЭС-47 (паспорта РФ4.500.049, РФ4.500.419), РЭС-49 (паспорт РС4.569.424). Кроме простого схемного решения имеется еще одно преимущество - гальваническая развязка низковольтной части устройства от сети питания, что увеличивает безопасность пользования переключателем. Недостатком же является меньший срок службы, вызванный износом контактов реле.
И в заключение еще одна рекомендация. При выключении напряжения сети питания (даже кратковременном - несколько
Однопереходный транзистор имеет три вывода: две базы и один эмиттер. Вывод, соединенный с реле К2, называют выводом первой базы, а вывод, соединенный с резистором R5, - выводом второй базы. Эмиттер и база Б1 образуют единственный в транзисторе р-п переход, отсюда и название прибора.
Участок между базами образован кремниевой пластиной n-типа и имеет линейную вольт-амперную характеристику, т. е. ток через этот участок прямо пропорционален приложенному межбазовому напряжению. При отсутствии напряжения на эмиттере (измеренного относительно базы Б1) р-п переход находится в закрытом состоянии. При подаче определенного положительного напряжения на эмиттер переход включается в прямом направлении. Соответствующее напряжение эмиттера называют напряжением включения. Сопротивление р-п перехода при включении уменьшается в сотни раз, а ток становится достаточным для включения, например, в нашем случае электромагнитного реле К2. При уменьшении эмиттерного напряжения переход возвращается в закрытое состояние. Процесс переключения однопереходного транзистора носит лавинообразный характер (т. е. сопротивление перехода изменяется скачком), что и позволяет широко использовать однопереходный транзистор в различных устройствах.
Итак, познакомившись с принципом работы однопереходного транзистора, рассмотрим работу реле времени (см. рис. 49). В исходном состоянии все элементы устройства, кроме элементов, генератора и выпрямителя, обесточены. Напряжение сети выпрямляется однополупериодным выпрямителем (диод VD1), стабилизируется параметрическим стабилизатором напряжения R1VD2VD3VD4, пульсации сглаживаются конденсатором С1. Гене-
ратор, собранный на однопереходном транзисторе VT2, вырабатывает колебания звуковой частоты, которые излучаются капсюлем НА1. При нажатии на кнопку SB1 "Пуск" срабатывает электромагнитное реле К1. Контактами К 1.1 оно самоблокируется и размыкает конденсатор С2; контактами К 1.2 подает напряжение па элементы устройства; контактами К1.3 отключает узел подачи звукового сигнала. Через резисторы R3 и R4 начинается зарядка конденсатора С2. Через некоторое время (определяемое значениями R3, R4 и С2) переход транзистора VT1 откроется и конденсатор С2 разрядится на обмотку реле К2 - оно кратковременно сработает. Контактами К2.1 реле разорвет цепь питания реле К1, и устройство примет первоначальное состояние.
Однопереходные транзисторы могут быть типов КТ117А, КТ117Б. При отсутствии однопереходного транзистора его можно
заменить комбинацией из двух биполярных транзисторов (рис. 50). Реле К1 (в схеме рис. 49) применено типа МКУ-48 (паспорт РА4.509.145); реле К2 - типа РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) или РЭС-10 (паспорт РС4.524.302). Конденсатор С2 желательно применить с малым током утечки (типов К53-1, К53-4, К53-14). Звуковой излучатель НА1 - микрофонный капсюль ДЭМШ-1А или любой другой телефон с обмоткой сопротивлением постоянному току 100...200 Ом. Выбор остальных деталей не вызовет затруднений. Заканчивая описание реле
времени на однопереходном транзисторе, заметим, что на выдержках времени более 1 мин стабильность выдержки уменьшается.
Действие цифрового реле времени (первый вариант), схема которого приведена на рис. 51, основано на заполнении двоичного счетчика импульсами, следующими с периодом 1 с или 1 мин. После того как на вход счетчика поступает определенное число импульсов, появляется сигнал на выходе узла совпадения и срабатывает исполнительное реле.
Прибор имеет два поддиапазона выдержек времени. В первом поддиапазоне длительность выдержки можно устанавливать в пределах 1...255 с с интервалом 1 с, во втором - в пределах 1...255 мин с интервалом 1 мин. Установка того или иного поддиапазона осуществляется переключателем SA1.
С обмотки II трансформатора Т1 напряжение сети, пониженное до 10 В, выпрямляется диодным мостом VD1 и через резистивный
делительR2R3 поступает на вход триггера Шмитта (выводы 1, 2, 4, 5 микросхемы DD1).
Триггером Шмитта называют пороговое электронное устройство, выходное напряжение которого может принимать одно из двух значений (высокий или низкий уровень) под воздействием аналогового или цифрового входного сигнала. Триггер Шмитта представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью. Графическое изображение взаимосвязи между входным и выходным сигналами триггера Шмитта называют его передаточной характеристикой (рис. 52,а). Если входное напряжение триггера Uвx = 0 (точка А), то выходное напряжения Uвых > 2,4 В (напряжение высокого уровня ТТЛ). При повышении Uвx до 1,7 В выходное напряжение скачкообразно уменьшается (переходит от точки Б к В, где Uвых<=0.4В, т. е. напряжение низкого уровня). Такое входное напряжение называют напряжением срабатывания Ucpaб. Если входное напряжение теперь постепенно уменьшать (от точки Г к В и ниже), то при Uвx=0,9 В выходное напряжение скачкообразно изменится от низкого уровня к высокому (линия Д-Е). Это входное напряжение называют напряжением отпускания Uотп. Разницу между напряжениями срабатывания и отпускания называют гистерезисом триггера; Uг=0,8 В. Рассмотренный триггер Шмитта, входящий в состав микросхемы К155ТЛ1, инвертирует входной сигнал. Временная диаграмма работы при воздействии входного синусоидального сигнала показана на рис. 52,6. Таким образом, триггер Шмитта формирует из входного сигнала произвольной формы прямоугольные импульсы с крутыми фронтами.
С выхода триггера Шмитта прямоугольные импульсы частотой 100 Гц подаются на два последовательно соединенных десятичных счетчика DD2, DD3. В результате на выходе микросхемы DD3
(вывод 5) импульсы следуют с периодом 1 с. Они поступают на входы &С десятичного счетчика DD4, а от него - на микросхему DD5, которая делит частоту поступающих импульсов на шесть (микросхемы DD2-DD5 работают в режиме счета импульсов лишь в том случае, если на их входах &RO имеется напряжение низкого уровня). На выходе микросхемы DD5 (вывод 8) импульсы следуют с периодом 1 мин.
С подвижного контакта переключателя SA1 "Мин-с" импульсы поступают на вход четырехразрядного двоично-десятичного счетчика DD6, а с выхода последнего - на вход такого же счетчика DD7. Напомним, что общая емкость N-разрядного счетчика составляет 2^N-1, следовательно, в данном случае в счетчик может быть записано максимальное десятичное число 255. Это и определяет максимальную продолжительность выдержки реле времени - 255 мин.
Триггеры, входящие в состав микросхемы К155ИЕ5, переключаются спадом импульса.
Выходы счетчиков DD6, DD7 через замыкающие контакты кнопочных выключателей SB1-SB8 соединены со входами микросхемы DD8, выполняющей логическую операцию 8И-НЕ. Когда восьмиразрядный счетчик достигнет определенного состояния, заданного выключателями SB1-SB8, на выходе микросхемы DD8 появится напряжение низкого уровня. При этом RS-триггер, выполненный на логических элементах DD9.1 и DD9.2, установится в состояние, при котором на выходе логического элемента DD9.2 напряжение низкого уровня (а в течение отсчета времени было напряжение высокого уровня), отпустит электромагнитное реле К1, а его контакты К1.1 отключат (или включат) цепь нагрузки.
Пользоваться этим реле времени несложно. После включения питания выключателем Q1 RS-триггер установится в состояние, соответствующее напряжению низкого уровня на выходе элемента DD9.2 (для установки триггера в такое состояние служит конденсатор С5). Реле К1 при этом обесточено. На входах &RO микросхем DD2-DD7 будет напряжение высокого уровня, запрещающее счет импульсов. Затем переключателем SA1 устанавливают поддиапазон выдержек - "Секунды" или "Минуты", а кнопочными выключателями SB1-SB8 - нужную длительность выдержки времени. Например, при нажатии кнопок SB5 и SB7 и установке переключателя SA1 в положение "Минуты" выдержка времени составит 16+64=80 мин.
Затем нажимают кнопку SB 10 "Пуск". При этом на выходе элемента DD9.2 установится напряжение высокого уровня и сработает реле К1, на выходе элемента DD9.3 - напряжение низкого уровня, которое будет подано на входы &RO микросхем DD2-DD7 начнется подсчет поступающих импульсов. Через 80 мин RS-триггер
DD9.1DD9.2 переключится в противоположное состояние, и реле К1 отпустит.
Микросхемы DD1-DD10 можно заменить на аналогичные им микросхемы из серий К 133, КР531, К555. При отсутствии интегрального стабилизатора КР142ЕН5А (DA1) стабилизатор может быть выполнен по любой известной схеме (например, параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем); он должен обеспечивать выходное напряжение 5 В при токе не менее 200 мА. Транзистор VT1 - типов КТ312, КТ315, КТ503, КТ603, КТ608, КТ3117 с любым буквенным индексом. Мостовой выпрямитель VD1 может быть из серий КЦ402, КЦ405, КЦ407 с любыми буквами; диод VD2 - Д226, Д310, КД105, КД106 с любыми буквами, VD3 - КД503, КД509, КД510, Д220, Д223 с любыми буквами. Оксидные конденсаторы -типов К50-6, К50-16; остальные - КМ-6, КЛС, К10-7в. Резисторы -типа МЛТ-0,25; реле К1 - типа РЭС-22 (паспорт РФ4.500.129). Выключатель Q1 и переключатель SA1 - типов ТВ2-1-2 или ТП1-2, переключатели SB1-SB8 - П2К с фиксацией положения, SB9 и SB 10 -П2К без фиксации положения. Трансформатор Т1 - любого типа, обеспечивающий напряжение на вторичной обмотке 8...12 В при токе не менее 0,3 А. Данные самодельного трансформатора: магнитопровод ШЛ 16х25; обмотка I содержит 2400 витков провода ПЭВ-2 0,1 мм, обмотка II -120 витков провода ПЭВ-2 0,33 мм.
Реле времени смонтировано в пластмассовом корпусе размерами 250х210х90 мм (использован корпус от неисправного ампервольтомметра АВО-5М) (рис. 53). Верхняя съемная крышка изготовлена из текстолита толщиной Змм. Надписи выполнены на бумаге и закрыты сверху пластинами прозрачного органического стекла. На боковой
стенке находится соединитель, к которому подведены провода, идущие от контактов К 1.1 реле К1.
Большая часть деталей смонтирована на плате № 2 (см. рис. 16,6). Монтаж - проволочный. Микросхема DA1 установлена на дюралюминиевом уголке 20 х 20 мм, служащем радиатором.
Чтобы исключить возможные сбои из-за помех, не следует объединять в один жгут провода, идущие к микросхемам, с проводами, несущими
переменный или пульсирующий ток (от сетевого трансформатора Т1 и выпрямителя VD1).
Правильно собранное из заведомо исправных деталей реле времени не требует налаживания. Оценить его точности можно путем сравнения длительностей выдержек с показаниями электронных часов. В одном из испытанных экземпляров устройства максимальное отклонение выдержки на пределе 30 мин составило не более 20 с, что соответствует точности 1%.
Для уменьшения обгорания контакты К 1.1 образованы четырьмя параллельно соединенными группами контактов, имеющимися в реле. Желательно также параллельно контактам подключать искрогасящие цепи (последовательно соединенные резистор сопротивлением 100...200 Ом, мощностью 2 Вт и конденсатор емкостью 0,25...0,5 мкФ на номинальное напряжение 400 В). Такой вариант реле выдержки времени, можно применять при выполнении фоторабот, для включения и запрограммированного выключения различных бытовых приборов (например, электроплитки). Если увеличить диапазоны выдержек включением в счетчик импульсов дополнительных триггеров и ввести звуковую сигнализацию, то реле времени можно будет использовать и как электронный будильник.
Схема второго варианта цифрового реле времени представлена на рис. 54. Действие этого устройства, как и предыдущего варианта реле времени, основано на заполнении двоичных счетчиков импульсами, следующими с периодом 1, 10 с, 1 или 10 мин. Реле времени обеспечивает выдержку времени от 1 с до 990 мин в четырех поддиапазонах (1...99 с с интервалом 1 с; 10...990с с интервалом 10с; 1...99 мин с интервалом 1 мин; 10...990 мин с интервалом 10 мин). Отличительной особенностью такого реле времени является малый ток потребления (в режиме выдержки времени он составляет около 1 мА), что позволило питать реле времени от гальванической батареи и потому использовать его в тех местах, где нет электросети. Реле времени может включать и выключать бытовые электроприборы мощностью до 1000Вт, а также подает звуковой сигнал.
В реле времени использован кварцевый резонатор, что обеспечивает высокую стабильность временных интервалов (не хуже 0,001%). Наличие всех перечисленных факторов позволяет широко использовать это устройство в быту.
Устройство выполнено на шести микросхемах серии К176. Эта серия по сравнению с серией К 155 обладает не только тем преимуществом, что ее микросхемы потребляют малую мощность, но и тем, что они имеют и более высокую степень интеграции.
Микросхема К176ИЕ12 (DD1), разработанная для использования в электронных часах, имеет очень широкие функциональные возможности. В ее состав входят генератор, рассчитанный на работу с внешним кварцевым резонатором на частоту 32 768 Гц (выводы 12 и 13), и два делителя частоты с коэффициентами деления 2^15= 32768 и 60 (выводы 4, 7, 10). Следовательно, на выходах микросхемы формируются секундные и минутные импульсы. Микросхема позволяет реализовывать и некоторые другие функции, связанные с ее применением в электронных часах. В исходное состояние микросхему устанавливают подачей напряжения высокого уровня на входы R (выводы 5, 9).
Эпюры напряжений на некоторых выводах микросхемы К176ИЕ12 представлены на рис. 55. Особенность микросхемы
К176ИЕ12 в том, что первый спад на выходе минутных импульсов М появляется спустя 59 с после подачи напряжения низкого уровня на вход сброса R. Это следует учитывать при эксплуатации устройств, собранных на микросхеме. .
Микросхема К176ИЕ8 (DD4-DD6) - это двоичный счетчик, совмещенный с десятичным дешифратором. Имеет вход R для установки в исходное состояние и входы для подачи счетных импульсов отрицательной (CN) и положительной (СР) полярностей. При работе счетчика на его выходах 0-9 (выводы 1-7, 9-11) последовательно появляется напряжение высокого уровня.
Рассмотрим работу реле времени (контакты выключателя питания SA5 замкнуты). Выбор нужной выдержки времени осуществляют переклю
чателями SA1 ("Минуты" - "Секунды"), SA2 ("х1" - "х10"), SA3, SA4 ("Единицы", "Десятки"). После этого замыкают контакты выключателя SA6 "Пуск". При этом на выводах 10, 4, 11 микросхемы DD1 появляются импульсы с частотами соответственно 1/60,
1 и 1024 Гц. В зависимости от положения переключателя SA1 на выводы 2, 8 логического элемента DD3.2 поступают минутные или секундные импульсы. На выводе 1 этого же элемента - напряжение высокого уровня, поданное с выхода логического элемента DD3.3 (поскольку на его входах - выводах 11, 12, 13 - напряжение низкого уровня). Следовательно, импульсы поступают на вход СР микросхемы DD4, и если контакты переключателя SA2 находятся в показанном на схеме положении - то и на аналогичный вход микросхемы DD5.
Логический элемент DD2.1 инвертирует секундные импульсы, поступающие на нормально замкнутый контакт переключателя SA1. Это сделано для того, чтобы на выводы 2, 8 логического элемента DD3.2 поступали или секундные, или минутные импульсы, у которых период относительно исходного состояния входа R определяется спадом импульса (или, что то же самое, срезом импульса). На вход СР микросхемы DD4 импульсы поступают в противофазе благодаря применению логического элемента DD3.2, т.е. секундный или минутный интервал определяется положительным перепадом напряжения на входе СР, переключающим триггеры микросхемы.
Через некоторое время, определяемое положением подвижных контактов переключателей SA3 и SA4, на этих контактах появятся одновременно напряжения высокого уровня. Напряжение низкого уровня, появившееся на выходе логического элемента DD3.3, запретит дальнейшее поступление импульсов на входы микросхем DD4, DD5 и откроет транзистор VT2. На вывод 5 логического элемента DD3.1 поступит напряжение высокого уровня. На базу транзистора VT1 начнут поступать импульсы с интервалом 1 с, модулированные частотой 1024 Гц (роль модулятора, или суммирующего устройства, выполняет логический элемент DD3.1). В излучателе НА1 будет слышен прерывистый звуковой сигнал, свидетельствующий об окончании выдержки времени.
Микросхему К176ЛА7 (DD2) можно заменить на К561ЛА7, К176ЛА9 (DD3) - на К561ЛА9, К176ИЕ8 (DD4-DD6) - на К561ИЕ8. Транзисторы VT1, VT2 - любые из серий КТ203, КТ361, КТ501, КТ502. Кварцевый резонатор Z1 - малогабаритный на частоту 32768 Гц, предназначенный для использования в электронных часах. Конденсаторы Cl, C2 - типов КЛС, КМ, КТ, К10-7в. К10-23. Резисторы - МЛТ-0,25. Звуковой излучатель - микрофонный капсюль ДЭМШ-1А или телефонный капсюль любого типа с сопротивлением катушки постоянному току не менее 65 Ом (например, ТА-4, ТК-47, ТК-67). Переключатели SA1, SA2, SA5, SA6 - типа П1Т; SA3, SA4 - МПН-1. В качестве батареи питания GB1 использованы четыре дисковых аккумулятора Д-0,06.
Реле времени собрано в пластмассовом корпусе размерами 120х70х20 мм (рис. 56). Корпус изготовлен из коробки для рыболовных принадлежностей. Расположение элементов в корпусе реле времени показано на рис. 57. Монтаж на плате выполнен проводами.
Такое реле времени, свободно умещающееся в кармане, удобно использовать в качестве таймера или будильника. Несложная приставка к реле времени (рис. 58) позволяет с его помощью управлять нагрузкой. Переключателем SA1 выбирают режим коммутации нагрузки. В положении 1 управление нагрузкой не осуществляется, и цепи узла управления нагрузкой (оптроны Ul, U2) отключены от коллектора транзистора VT1; это сделано для того, чтобы не расходовать напрасно энергию батареиGB1 на питание
узла управления, если нагрузка отключена, а реле времени используется только в качестве будильника. По истечении заданного времени в положении 2 переключателя SA1 реле времени включает нагрузку, а в положении 3 - выключает нагрузку (в течение заданного времени она включена).
Коммутация нагрузки осуществляется тиристором VS1, включенным в диагональ диодного моста VD1-VD4. Тиристор включается с помощью двух оптронов U1 и U2. Оптрон работает следующим образом. При протекании тока через светодиод оптрона освещается его динистор, и он начинает пропускать ток. Достоинством оптрона является отсутствие гальванической связи между его входными и выходными цепями, что создает безопасные условия работы с устройствами, имеющими питание от сети (сопротивление между входными и выходными цепями оптрона достигает сотен мегаом).
Допустим, что переключатель SA1 установлен в положение 2. При появлении напряжения низкого уровня на выходе логического элемента DD3.3 транзистор VT2 реле времени (рис. 54) откроется, также откроется и транзистор VT1 узла управления, и через светодиоды оптронов U1 и U2 потечет ток, ограничиваемый резистором R2. Динисторы оптронов откроются, поэтому в начале каждого полупериода напряжения сети будет открываться тринистор VS1 и оставаться открытым до конца, полупериода. Использование двух оптронов объясняется тем, что допустимое прямое напряжение динистора оптрона этого типа составляет лишь 200 В. Резисторы R3 и R4 предназначены для выравнивания напряжений на динисторах. когда они находятся в закрытом состоянии.
Если переключатель SA1 находится в положении 3, то входные цепи оптронов будут подключены к плюсу питания и транзистору VT1, который по истечении выдержки времени закроется и выключит оптроны и нагрузку. Поскольку ток, протекающий через входные цепи оптрона, довольно значителен (10...20 мА), при установке больших выдержек времени батарея GB1 может сильно разрядиться. Это необходимо учитывать при работе с устройством.
По истечении выдержки времени контакты переключателя SA5 следует возвратить в исходное положение, при этом устройство примет первоначальное состояние.
Нагрузка, которую может коммутировать реле времени, питается переменным током. Это может быть холодильник, телевизор. радиоприемник, вентилятор и пр. Если же питание нагрузки допускается осуществлять постоянным током (фотоувеличитель. утюг, электроплитка), то узел управления можно упростить и избежать применения оптронов (рис. 59). Этот узел будет производить отключение нагрузки по истечении заданного времени. Мощ
ность, рассеиваемая на транзисторе VT2, очень мала, поскольку ток через него протекает лишь в момент открывания. Однако в этом случае элементы реле времени будут иметь гальваническую связь с сетью и необходимо соблюдать меры безопасности при работе с устройством.
Конструкция узла управления нагрузкой, его размеры определяются тем, какие нагрузки предполагается коммутировать. Если их мощность не превышает 300 Вт, то выпрямительные диоды и тринистор не нужно устанавливать на радиатор. Если же мощность нагрузки может достигать 1000 Вт, то тринистор следует устанавливать на радиатор с поверхностью теплоотдачи не менее 200 см^2, а каждый из диодов - на радиатор с поверхностью 50 см^2.
Напоминаем: микросхемы потребляют от батареи ток около 1 мА; устройство подачи звукового сигнала - не более 10 мА;
оптроны, когда они включены, - 10...20 мА. Исходя из этих данных и зная емкость батареи питания, следует рассчитать продолжительность работы реле времени в том или ином режиме.
Большие возможности для построения времязадающих устройств открывает использование интегрального таймера КР1006ВИ1. Эта микросхема специально разработана для применения в устройствах подобного типа.
Функциональная схема интегрального таймера КР1006ВИ1 представлена на рис. 60. В состав таймера входят два прецизионных компаратора высокого (DA1) и низкого (DA2) уровней, асинхронный RS-триггер DD1, мощный выходной каскад на транзисторах VT1 и VT2, разрядный транзистор VT3, прецизионный делитель напряжения R1R2R3. Сопротивления резисторов R1-R3 равны между собой.
Таймер содержит два основных входа: вход запуска (вывод 2) и пороговый вход (вывод 6). На этих входах происходит сравнение внешних напряжений с эталонными значениями, составляющими для указанных входов соответственно l/3Uпит и 2/3Uпит. Если на входе Unop действует напряжение меньше 2/3Uпит, то уменьшение напряжения на входе Uзап до значения, меньшего 1/3Uпит, приведет к установке таймера в состояние, когда на выходе (вывод 3) имеется
напряжение высокого уровня. При этом последующее повышение напряжения на входе Uзап до значения 1/3Uпит и выше не изменит состояния таймера. Если затем повысить напряжение на выходе Uпop до значения больше 2/3 Uпит, то сработает триггер DD1 и на выходе таймера установится напряжение низкого уровня, которое будет сохраняться при любых последующих изменениях напряжения на входе Uпop. Этот режим работы таймера обычно используют при построении реле времени, ждущих мультивибраторов. При этом вход Unop подключают к одной из обкладок конденсатора времязадающей цепи, а по входу Uзап производят запуск таймера подачей короткого импульса отрицательной полярности. Если необходимо создать автоколебательный мультивибратор, то оба входа объединяют. Транзистор VT3 служит для разрядки времязадающего конденсатора. При появлении напряжения высокого уровня на выводе 3 таймера этот транзистор открывается и соединяет обкладку конденсатора с общим проводом.
Если на запускающем входе напряжение не превышает l/3Uпит, то повышение напряжения на входе Unop выше 2/ЗUпит приведет к появлению низкого напряжения на выходе таймера, а понижение напряжения на этом входе ниже 2/ЗUпит установит высокое напряжение на выходе. Таким образом, в данном случае таймер работает как обычный компаратор и может быть использован в устройствах регулирования температуры, автоматического включения освещения и др.
Если на входе Unop напряжение превышает 2/3Uпит, то на выходе таймера будет низкое напряжение независимо от значения напряжения на входе Uзап. В заключение следует отметить, что напряжение питания таймера может находиться в пределах 5...15 В. Максималь
ный выходной ток таймера равен 100 мА. Это позволяет использовать в качестве нагрузки электромагнитное реле. Вывод 5 служит для контроля значения образцового напряжения, а также для возможного изменения его значения путем подключения внешних резисторов. Для уменьшения возможного действия помех этот вход обычно соединяют с общим проводом через конденсатор емкостью 0,01...0,1 мкФ. Вход Uc6p (вывод 4) позволяет устанавливать на выходе низкое напряжение независимо от сигналов на остальных входах. Для этого на вывод 4 следует подать напряжение низкого уровня. Последующее повышение напряжения на этом входе до напряжения высокого уровня приводит к установлению на выходе таймера состояния, которое было до подачи низкого напряжения на вход 4 (имеется в виду, что времязадающая цепь не подключена). Если этот вход не используется, его следует соединить с выводом 8. В схемах реле времени вход Uсбр часто используют для установки таймера в исходное состояние, соответствующее закрытому транзистору VT3.
На рис. 61 представлена схема реле времени с использованием интегрального таймера. После подачи питания на устройство на выводе 2 установится высокое напряжение, а на выводе 6 - низкое (поскольку конденсатор С2 разряжен). На выходе таймера (вывод 3) при этом будет также низкое напряжение, через обмотку реле К1 течет ток, и разрядный транзистор таймера открыт - конденсатор С2 не может заряжаться. В таком состоянии таймер может находиться сколь угодно долго. Отсчет времени начинается с момента нажатия кнопки SB1 "Пуск". Поступающий при этом на вывод 2 отрицательный перепад напряжения переключает внутренний триггер таймера в противоположное состояние, на выводе 3 появляется напряжение
высокого уровня, реле К1 отпускает, а разрядный транзистор таймера закрывается. Начинается зарядка конденсатора С2 через резистор R3. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога переключения компаратора высокого уровня (в данном случае оно равно 2/3 х 15 В = 10 В), на выводе 3 опять установится напряжение низкого уровня, реле К1 сработает, а конденсатор С2 разрядится через внутренний транзистор таймера. Длительность выдержки времени Т можно определить из соотношения T=1,1R3C2, при этом время выражено в секундах, емкость - в микрофарадах, сопротивление - в мегаомах. Сопротивление времязадающего резистора не должно превышать 10 МОм. Емкость ограничивается лишь сопротивлением утечки, значение которого должно превышать значение сопротивления времязадающего резистора по крайней мере на порядок (т.е. в 10 раз). Желательно применять конденсаторы типов К73-17, К76-П2,, К53-1, ЭТО, обладающие малыми потерями.
Стабильность выдержки времени определяется в основном стабильностью конденсатора и резистора времязадающей цепи. Стабильность же собственно таймера весьма высокая. Это связано с тем, что изменение температуры в одинаковой степени влияет на сопротивление всех трех резисторов делителя напряжения, которые выполнены на одном кристалле. Изменение напряжения питания также не влияет на время выдержки, поскольку одновременно изменяются и порог срабатывания компаратора, и зарядный ток через конденсатор.
Реле К1 следует выбирать исходя из напряжения питания таймера и тока срабатывания не более 100 мА. Подойдут реле РЭС-10 (паспорт РС4.524.302), РЭС-9 (паспорт РС4.524.200).
В данном реле времени не предусмотрена регулировка выдержки времени". Казалось бы, сделать это несложно - достаточно резистор R3 заменить переменным. Однако промышленность выпускает переменные резисторы с номиналом не более 5 МОм. Выход из этого положения можно найти, если регулировать напряжение питания времязадающей цепи. Фрагмент схемы, обеспечивающей такую возможность, показан на рис. 62. Отношение сопротивлений резисторов R4 и R5 выбрано таким образом, чтобы напряжение на движке переменного резистора изменялось от значения, немного большего 2/3Uпит, до Uпит. Для расширения диапазона выдержек можно изменять емкость времязадающего конденсатора использованием галетного переключателя и батареи конденсаторов.
Стабильность формируемых выдержек данным реле времени достаточно высокая. В экспериментальном экземпляре на диапазоне 5 мин она составляла около ±0,5°/о, на диапазоне 30 мин - около
±2%. Дальнейшее увеличение выдержки времени приводит к значительному ухудшению ее стабильности и, следовательно, нежелательно. Поэтому для обеспечения больших выдержек времени (более 30 мин) следует идти по пути использования цифровых делителей частоты, а таймер использовать в качестве задающего генератора.
Принципиальная схема такого реле времени показана на рис. 63. На микросхеме DA1 выполнен мультивибратор, вырабатывающий задающие импульсы стабильной частоты 1 Гц или 1/60 Гц; на микросхеме DD1 - двоичный счетчик с коэффициентом деления 128;
на микросхеме DD2 - генератор звуковой частоты.
Выбор диапазона выдержки времени (секунды или минуты) производится переключателем SB2, установка времени выдержки-выключателями SA1-SA8. С их помощью можно набрать любое число от 1 до 255. Таким образом, наибольшая выдержка составляет 255 мин.
Прежде чем рассмотреть работу реле времени, познакомимся с особенностями микросхемы К561ИЕ10. Она состоит из двух одинаковых четырехразрядных счетчиков-делителей, связанных только общим питанием. Каждый счетчик имеет два счетных входа СР и CN, вход R принудительной установки нулей на выходах и выходы от каждого из четырех разрядов (рис. 64,а).
Когда на входе CN имеется напряжение низкого уровня либо на входе СР напряжение высокого уровня, входные импульсы, поданные на второй вход, не изменяют состояния счетчика. Для обеспечения режима счета необходимо на вход CN подать разрешающее напряжение высокого уровня (при этом входные импульсы поступают на вход СР) либо поддерживать напряжение низкого уровня на входеСР, а входные импульсы подавать на вход CN. Когда счет импульсов производится по входуСР, переключение первого триггера счетчика происходит по фронту счетных импульсов, при счете по входу CN - по спаду счетных импульсов (рис. 64,6). Остальные разряды счетчика переключаются по спаду импульсов выходных сигналов предыдущих разрядов. Максимальная частота счета 20 МГц.
Рассмотрим работу реле времени (рис. 63). Для запуска устройства нажимают кнопочный выключатель с фиксацией положения SB1. Начинает работать мультивибратор, на входы R подается
сигнал разрешения счета и счетчики DD1.1, DD1.2 заполняются импульсами. Допустим, что установлена выдержка времени 22 с. Это достигается замыканием контактов выключателей SA2, SA3, SA5 (2+4+ 16=22). Поскольку в исходном состоянии счетчиков на всех их выходах низкое напряжение, диоды VD1-VD8 открыты, а транзисторы VT1, VT2 закрыты, реле К1 обесточено. Диоды VD1-VD8 реализуют операцию логического сложения, т. е. транзистор VT1 откроется тогда, и только тогда, когда на выводах 4, 5, 11 микросхемы DD1 установится напряжение высокого уровня. При этом сработает реле К1, контактами К 1.1 самоблокируется и одновременно отключит базу транзистора VT2 от общего провода. В звуковом излучателе НА1 будет слышен сигнал, свидетельствующий об окончании выдержки времени. Громкость сигнала регулируется переменным резистором R7.
Следует заметить, что в счетчике DD1.1 счетные импульсы подаются на входСР, ав счетчике DD1.2 - на вход CN.
В исходное состояние устройство возвращают переключением контактов SB1 в первоначальное положение.
Несколько слов о назначении делителя напряженияR1R2. Как следует из логики работы интегрального таймера КР1006ВИ1, в процессе работы мультивибратора напряжение на времязадающем конденсаторе С2 изменяется в пределах 1/3... 2/3 напряжения питания, т.е. от 5 до 10 В. Поэтому в исходном состоянии конденсатор С2 должен быть заряжен до одного из этих напряжений, чтобы длительность первого сформированного мультивибратором импульса не отличалась от длительности последующих. В данном случае конденсатор заряжается до напряжения 5 В, которое подается на конденсатор С2 с делителя R1R2 через замкнутые контакты переключателя SB 1.1.
В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ-0,25. Переменный резистор R7 - СП-0,4, СП-1 или любой другой. Конденсатор С2 - типа К53-1, К53-4, ЭТО; главное требование -чтобы он обладал малым током утечки и высокой стабильностью емкости при изменении температуры. Конденсаторы С1, СЗ - типа КМ-66, КЛС. Транзисторы VT1, VT2 - любые из серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ603, КТ608, КТ3117. Диоды VD1-VD8 - любые из серий Д9, Д311. Они обязательно должны быть германиевыми, поскольку только германиевый переход характеризуется малым прямым падением напряжения: 0,3...0,5 В. Это обеспечивает надежное закрывание кремниевого транзистора VT1. Использование кремниевых диодов недопустимо из-за большого прямого падения напряжения на них (1...1,5 В). Диод VD9 может быть типов Д220, Д223, КД503, КД509. Реле К1 - РЭС-10 (паспорт РС4.524.302) или
РЭС-15 (паспорт РС4.591.004). Звуковой излучатель НА1 - любого типа с сопротивлением обмотки постоянному току 100...200 Ом, например ВП-1, ДЭМШ-1А, ТК-67. Переключатели SB1, SB2 - типа П2К с фиксацией положения; SA1-SA8 - типа П1Т-1.
Налаживание реле времени состоит в подборе напряжения 5 В в точке соединения резисторов R1 и R2 с помощью резистора R1, а также в установлении периода следования импульсов мультивибратора равным 1 с или 1 мин резисторами R3 и R4 соответственно. В макетном экземпляре реле времени максимальная погрешность выдержки времени на пределе 255 мин составила 0,2...0,3%.
Для расширения пределов выдержки времени следует или увеличить период колебаний мультивибратора, или применить дополнительные делители частоты.
Рис. 45 Коммутация ламп симистором
Рис. 46 Второй вариант коммутации ламп симистором
Рис. 49 Схема реле времени на однопереходном транзисторе
Рис. 50 Схема аналога однопереходного транзистора
Рис. 51 Схема цифрового реле времени (первый вариант)
Рис. 52 Триггер Шмидта К155ТЛ1
Рис. 53 Внешний вид цифрового реле времени (первый вариант)
Рис. 54 Схема цифрового реле времени (второй вариант)
Рис. 56 Внешний вид цифрового реле времени (второй вариант)
Рис. 57 Расположение элементов в корпусе реле времени
Рис. 58 Схема узла управления нагрузкой с использованием оптронов
Рис. 59 Схема узла управления нагрузкой (без оптронов)
Рис. 60 Функциональная схема интегрального таймера КР1006ВИ1
Рис. 61 Реле времени на интегральном таймере КР1006ВИ1
Рис. 63 Схема реле времени с использованием таймера КР1006ВИ1 и цифровых микросхем
Рис. 64 Микросхема К561ИЕ10
4.4 Карманный электронный секундомер.
4.4 Карманный электронный секундомер
Карманный электронный секундомер позволяет производить отсчет текущего времени от 1 до 99 с в диапазоне "Секунды" и от 1 до 99 мин в диапазоне "Минуты". Кроме того, устройство генерирует случайные числа в диапазоне I... 99.
Принципиальная схема секундомера представлена на рис. 65. На микросхеме DD1 выполнен генератор импульсов, частота которых стабилизирована кварцевым резонатором Z1, а также делители частоты. На выходе М (вывод 10 микросхемы) импульсы следуют с периодом 1 мин, на выходе S1 (вывод 4) - с периодом 1 с, на выходе F (вывод 11) - с частотой 1024 Гц.
Если контакты выключателя SB1 "Пуск" разомкнуты, то все делители микросхемы DD1 находятся в исходном состоянии и импульсы на выходах М, S1, F отсутствуют. При замыкании контактов этого выключателя на указанных выходах появляются импульсы. На схеме показано такое положение контактов кнопочных переключателей SB2 и SB3, при котором на счетный вход микросхемы DD2 поступают импульсы с периодом следования 1 мин.
Микросхема К176ИЕ4 (DD2, DD3) содержит двоичный декадный счетчик и преобразователь его состояний в сигналы управления семисегментным индикатором. Триггеры декады устанавливаются в нулевое состояние при подаче напряжения высокого уровня на вход R, а переключаются спадами импульсов, поступающих на вход С. На выходах a-g формируются выходные сигналы, обеспечивающие на семисегментном индикаторе свечение цифр, соответствующих состоянию декады. При подаче напряжения низкого уровня на управляющий вход S состояние декады определяется напряжением высокого уровня на выходах a-g, а при подаче напряжения высокого
уровня на вход S - напряжением низкого уровня на выходах a-g. Такое переключение уровней выходных сигналов расширяет область применения микросхемы. Выход Р микросхемы - выход переноса, на котором в момент перехода декады из состояния 9 в состояние 0 формируется отрицательный перепад напряжения. Этот выход служит для связи с последующими разрядами.
Таким образом, при подаче на вход С микросхемы DD2 минутных импульсов цифровые семисегментные люминесцентные индикаторы отображают текущее время в минутах: HG1 - единицы минут, HG2 - десятки минут.
При нажатии кнопки SB3 "ГСЧ" (генератор случайных чисел) на вход микросхемы DD2 поступают импульсы с частотой 1024 Гц. За время удержания кнопки (1...3 с) счетчики DD2, DD3 неоднократно переполняются, поэтому индикаторы после отпускания кнопки высвечивают случайное число.
Для индикации режима работы секундомера на анод разделительной точки индикатора HG1 (вывод 11) подаются секундные импульсы с выхода S1 микросхемы DD1, поэтому при нажатой кнопке SB1 "Пуск" точка на индикатор мигает с периодом 1 с.
Аноды и сетки цифровых индикаторов питаются напряжением 9 В, а нити накала индикаторов - переменным напряжением 0,8 В с выхода преобразователя напряжения. Преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе Т1, представляет собой симметричный автоколебательный мультивибратор. Его частота определяется в основном сопротивлениями резисторов R6, R7 и числом витков обмотки I трансформатора Т1. В данном случае частота составляет около б... 8 кГц. Ток, потребляемый преобразователем под нагрузкой от источника питания, равен 10...15 мА. В принципе питание нитей накала можно осуществлять от источника напряжением 9 В через ограничительный резистор, однако экономичность такого секундомера была бы значительно хуже (нить накала одного индикатора потребляет ток 45..,55 мА).
О деталях секундомера. Используемые микросхемы аналогов в других сериях не имеют. Цифровые индикаторы ИВ-3А можно заменить на ИВ-6, однако последние имеют несколько большие габаритные размеры и ток нити накала. Транзисторы VT1 и VT2 -любые из серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ3117. Резисторы-типа МЛТ-0,25. Конденсаторы С1, С2 - типов КТ, К10-7, К10-23; СЗ-С5 -КЛС, КМ-6, К10-23; С6 - К50-6, К50-16, К50-12. Трансформатор 01 намотан на ферритовом кольце К 10х6х3 с магнитной проницаемостью 600....1000. Обмотка I содержит 420 витков провода ПЭВ-2 0,10 с отводом от середины; обмотка II содержит 35 витков провода
ПЭВ-2 0,17. Выключатели SB1, SB4 и переключатели SB2, SB3 -типа П2К: SB1, SB2, SB4 - с фиксацией положения, SB3 - без фиксации.
Секундомер собран на отрезке универсальной печатной платы (рис. 16, а), монтаж выполнен проводами. Корпусом служит уже упоминавшаяся выше пластмассовая коробка для рыболовных принадлежностей размерами 120 х 70 х 20 мм (рис. 66).
В налаживании секундомер не нуждается.
Рис. 65 Принципиальная схема карманного электронного секундомера
Рис. 66 Внешний вид секундомера
4.5 Преобразователь напряжения для электробритвы.
4.5 Преобразователь напряжения для электробритвы
Данное устройство позволяет питать в полевых условиях электроприборы, рассчитанные на напряжение сети 220 В (электробритва, электропаяльник, электрощипцы для завивки волос и др.), мощностью до 20 Вт. Источником питания служит аккумуляторная батарея или генератор постоянного тока напряжением 12 В.
Преобразователь напряжения (рис. 67) выполнен по схеме симметричного мультивибратора. Его частота в основном определяется сопротивлениями резисторов R2 и R4, а также числом витков обмотки I трансформатора Т1. Для указанных на схеме номиналов резисторов R2, R4 и приведенных ниже параметров трансформатора Т1 частота преобразования равна 20...25 кГц (под нагрузкой).
Применение составных транзисторов VT1VT2 и VT3VT4 позволило использовать резисторы смещения R1 и R3 достаточно большого сопротивления, что повышает экономичность устройства.
Высокое напряжение вторичной обмотки трансформатора Т1 выпрямляется мостовым выпрямителем VD1-VD4, пульсации сглаживаются конденсатором С3. В зависимости от положения контактов переключателя SA1 в нагрузку подается постоянное или переменное напряжение. Если нагрузка допускает питание как переменным, так и постоянным напряжением (электропаяльник), то ее следует питать переменным напряжением - в этом случае на диодах VD1-VD4 не рассеивается мощность и экономичность преобразователя выше. Некоторые же электроприборы допускают питание только постоянным напряжением.
Транзисторы VT1, VT3 могут быть любыми из серий КТ815, КТ817, КТ608; VT2, VT4 могут быть также типов КТ805, КТ903 (с любыми буквами). Выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на работу в цепях высокой частоты (до 30 кГц), иметь обратное напряжение не менее 300 В и выпрямленный ток не менее 0,1 А. Помимо указанных на схеме можно использовать диоды КД212 (А, Б), КД213 (А-В), при этом в каждое плечо выпрямительного моста следует включать два последовательно соединенных диода, зашунтированных резисторами сопротивлением 100...200 кОм, мощностью 0,25 Вт (резисторы необходимы для уравнивания обратных напряжений на диодах одного плеча). Конденсаторы Cl, C2 - типа КМ-6, КЛС, К10-23; С3-типа МБМ, МБГО, КБГ-МН. Резисторы -МЛТ-0,25. Переключатель SA1 - тумблер ТП1-2, выключатель Q1 -тумблер ТВ2-1, ТП1-2.
Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольцевом магнитопроводе МЗ000НМ типоразмера К28 х 16 х 9. Обмотка I содержит 20 витков с отводом от середины, ее следует мотать в три провода ПЭВ-2 0,41 (это сделано для возможно более полного использования сечения провода на высокой частоте). Обмотка II содержит 190 витков провода ПЭВ-2 0,31.
Преобразователь собран в любом подходящем корпусе. Около транзисторов VT2, VT4 следует предусмотреть отверстия для свободной циркуляции воздуха. В процессе работы транзисторы нагреваются до температуры 60...80°С. Они установлены на плату без радиаторов.
Рис. 67 Принципиальная схема преобразователя напряжения
4.6 Тринисторные регуляторы мощности.
4.6 Тринисторные регуляторы мощности
Предположим, у вас есть электроплитка, а мощность ее не регулируется. Вот и горит спираль в полный накал тогда, когда
достаточно и четверти номинальной мощности, бессмысленно расходуя драгоценные киловатт-часы. Выход есть - сделать к электроплитке регулятор мощности. Схема первого варианта регулятора представлена на рис. 68. Он позволяет регулировать мощность в нагрузке, рассчитанной на включение в сеть напряжением 220 В, от 5...10 до 97...99% номинальной мощности. Коэффициент полезного действия регулятора не менее 98%.
Регулирующие элементы устройства - тринисторы VS1 и VS2 -включены последовательно с нагрузкой. Изменение мощности, потребляемой нагрузкой, достигается изменением угла открывания тринисторов.
Узел, обеспечивающий изменение угла открывания тринисторов, выполнен на однопереходном транзисторе VT1. Конденсатор С1, соединенный с эмиттером транзистора, заряжается через резисторы R2 и R3. Как только напряжение на обкладках конденсатора достигнет определенного значения, однопереходный транзистор откроется, через обмотку I трансформатора Т1 пройдет короткий импульс тока. Импульсы с обмотки II или III трансформатора откроют тринистор VS1 или VS2 - в зависимости от фазы сетевого напряжения, и с этого момента до конца полупериода через нагрузку будет протекать ток. Изменяя сопротивление резистора R3, можно регулировать скорость зарядки конденсатора С1 и, следовательно, угол открывания тринисторов и среднюю мощность в нагрузке.
Узел регулирования угла открывания тринисторов питается от двухполупериодного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме (VD1). Напряжение на однопереходном транзисторе ограничено стабилитронами VD2, VD3. Конденсатор фильтра здесь отсутствует - в нем нет необходимости.
Однопереходный транзистор КТ117 можно применять с буквами А и Б. Можно использовать также аналог однопереходного транзистора, выполненный на двух биполярных транзисторах разной структуры (см. рис. 50). Мостовой выпрямитель VD1 может быть типов КЦ402, КЦ405 с любыми буквами. Можно также применить четыре диода типов Д226, Д310, Д311, Д7 с любыми буквами, включив их по схеме выпрямительного моста. При замене тринисторов VS1, VS2 на другие типы следует помнить, что они должны быть рассчитаны на подачу как прямого, так и обратного напряжения не менее 400 В. Трансформатор Т1 - типа МИТ-4 или МИТ-10. Самодельный трансформатор можно выполнить на ферритовом кольцевом магнитопроводе М2000НМ, типоразмер К20х10хб. Все обмотки выполнены проводом ПЭВ-1 0,31 и содержат по 40 витков. Намотка ведется одновременно в три провода, причем витки равномерно распределяются по телу кольца магнитопровода. Одноименные выводы обмоток на схеме обозначены точками.
Тринисторы VS1 и VS2 устанавливают на радиаторы с поверхностью охлаждения не менее 200 см^2 каждый. При этом максимальная мощность нагрузки может составлять 2 кВт.
Настройка регулятора мощности заключается в подборе сопротивления резистора R2 по максимальной мощности в нагрузке. Резистор R3 при этом временно замыкают проволочной перемычкой. Момент отдачи в нагрузку максимальной мощности лучше всего контролировать по осциллографу. В случае применения самодельного трансформатора Т1 следует подобрать нужную полярность подключения выводов обмоток, которая должна соответствовать обозначенной на схеме.
Регулятор мощности можно использовать также совместно с маломощными электропечами, лампами накаливания и другими активными нагрузками. Описанному тринисторному регулятору мощности присущи недостатки. Во-первых, с изменением температуры в корпусе регулятора (а она будет в процессе работы увеличиваться из-за нагрева тиристоров) будет изменяться емкость конденсатора С1. Это приведет к изменению угла открывания тринисторов, а также к изменению мощности в нагрузке. Чтобы в какой-то степени устранить этот недостаток, необходимо применять конденсатор С1 с небольшими значениями ТКЕ (температурного коэффициента емкости), например К73-17, К73-24.
Во-вторых, тринисторный стабилизатор наводит высокий уровень помех в питающей сети. Эти помехи возникают в моменты скачкообразного включения тринистора. Коммутационные помехи не только распространяются через сеть, вызывая неустойчивую работу различных приборов (электронных часов, вычислительных машин и пр.), но и мешают нормальной работе некоторых устройств, гальванически не связанных с сетью (так, в радиоприемнике, находящемся недалеко от тринисторных регуляторов, слышен треск помех). Поэтому уменьшение коммутационных помех в тринисторных регуляторах мощности является важной задачей.:
Наиболее доступным способом снижения помех является такой способ регулирования, при котором переключение тринистора происходит в моменты перехода сетевого напряжения через нуль. При этом мощность в нагрузке можно регулировать числом полных полупериодов, в течение которых через нагрузку протекает ток. Недостатком такого способа регулирования по сравнению с традиционными являются большие колебания мгновенных значений мощности в нагрузке в течение периода регулирования, который значительно больше периода синусоидального напряжения и может достигать нескольких секунд. Однако для таких инерционных потребителей энергии, как электрическая печь, утюг, электроплитка, мощный электромотор, этот недостаток не является определяющим.
На рис. 69 представлена схема регулятора.
Работой тринисторного ключа VS1, подающего питание к нагрузке, управляет счетчик К155ИЕ8 (DD2), представляющий собой делитель частоты с переменным коэффициентом деления. Подачей сигналов 1 или 0 на входы VI, V2, V4, V8, VI 6 и V32 счетчика формируют соответствующую импульсную последовательность на выходе S1. Полный период работы счетчика состоит из 64
импульсов. Если, например, на эти входы подать уровни 1, 0, 0, 1, 1, 0, для чего надо разомкнуть соответственно контакты выключателей SA6, SA3, SA2, то на выходе S1 счетчика сформируется 25 импульсов за цикл (1+8+16=25). Число импульсов определяет мощность, выделяемую в нагрузке регулятора. Требуемый режим работы счетчика обеспечен сигналами логического 0 на входах V0, R, C1 и С2.
Тактовые импульсы частотой 100 Гц, управляющие работой счетчика, формируют логические элементы DD1.2 и DD1.3 из пульсирующего напряжения, снимаемого с выхода выпрямительного моста VD5-VD8. Электронный ключ образован составным транзистором VT2VT3, тринистором VS1 и диодным мостом VD9-VD12. Когда на выходе S1 счетчика имеется уровень логического 0, составной транзистор закрыт, тринистор в это время открыт током через резистор R 13, и через нагрузку, подключенную к соединителю XS1, протекает ток. Тринистор включен в диагональ выпрямительного моста VD9-VD12, поэтому через нагрузку протекает переменный ток.
Временные диаграммы напряжения в различных точках регулятора мощности показаны на рис. 70.
Конденсатор СЗ необходим для обеспечения открывания тринистора VS1 точно в моменты перехода сетевого напряжения через нуль. Дело в том, что спад прямоугольных импульсов на выходе формирователя (диаграмма 2) не совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль (диаграмма 1).
Объясняется это тем, что напряжение переключения элементов DD1.2 DD1.3 больше нуля. Конденсатор СЗ обеспечивает задержку
включения тринистора на время tз и тем самым исключает преждевременное его включение.
Микросхемы и мощный ключ питает двухполупериодный выпрямитель на диодах VD1-VD4 со стабилизатором напряжения на транзисторе VT1. Функцию образцового стабилитрона выполняет логический элемент DD1.1.
Микросхему К155ЛАЗ можно заменить на К158ЛАЗ, КР531ЛАЗ, К555ЛАЗ; транзистор КТ801Б - на КТ603, КТ604, КТ807, КТ815 с любым буквенным индексом; транзисторы КТ315Б - на любые из серий КТ312, КТ315, КТ503. Диоды VD1-VD4 - любые на выпрямленный ток не менее 100 мА; VD5-VD8 - любые из серий Д9. Д220, Д223, Д226, Д311. Мощные диоды Д245А можно заменить на Д245, Д246, Д247, Д248 с любыми буквенными индексами. Оксидные конденсаторы - К50-6, К50-3, К50-12, резисторы - МЛТ, выключатели Ql, SA1-SA6 - тумблеры ТВ2-1, Т1, ТП1-2, П1Т, МТ и др.
Сетевой трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ20х20. Обмотка I содержит 2000 витков провода ПЭВ-2 0,11, обмотка II - 75 витков провода ПЭВ-2 0,25, обмотка III - 75 витков ПЭВ-2 0,15. Тринистор VS1 устанавливают на теплоотводе с эффективной площадью охлаждения не менее 200 см^2, диоды VD9-VD12 - на отдельных теплоотводах с поверхностью не менее 50 см^2 каждый, транзистор VT1 - на теплоотводе с поверхностью 10...20 см^2.
При налаживании сначала, отключив временно микросхему DD2, подборкой резистора R1 устанавливают на выходе стабилизатора напряжение, равное 5 В. Затем к соединителю XS1 подключают нагрузку и с помощью осциллографа проверяют форму напряжения в различных точках регулятора (она должна соответствовать рис. 70) и подбирают конденсатор СЗ такой емкости, чтобы обеспечить требуемое время задержки. При отсутствии осциллографа этот конденсатор подбирают по минимальному уровню помех в малогабаритном радиовещательном приемнике, размещенном возле проводов цепи нагрузки. Максимальная мощность нагрузки 2 кВт.
В данном устройстве мощность регулируют выключателями SA1-SA6. Если же вместо них установить бесконтактные ключи, например транзисторные, тогда для управления мощностью можно применять цифровые сигналы ЭВМ. Это позволяет использовать регулятор в различных системах автоматического управления технологическими процессами.
Схема возможного варианта управляющей части регулятора с использованием двоично-десятичного счетчика К155ИЕ2 и дешифратора-демультиплексора К155ИДЗ представлена на рис. 71. Работает этот узел следующим образом. При подаче импульсов частотой
100 Гц на вход С1 счетчика DD1 на выходах дешифратора DD2 последовательно появляется сигнал логического 0. При таком же сигнале на выходе 0 дешифратора RS-триггер, собранный на логических элементах DD3.1, DD3.2, установится в состояние, соответствующее прохождению тока через нагрузку. Через несколько полупериодов сигнал логического 0 появится на одном из выходов дешифратора. Этот сигнал через подвижный контакт галетного переключателя SA1 будет подан на второй вход RS-триггера (вывод 1 элемента DD3.1), переключит его в другое состояние, отчего ток через нагрузку прекратится.
Чем ниже (по схеме) находится подвижный контакт переключателя SA1, тем большая средняя мощность будет выделяться на нагрузке. При крайнем нижнем положении подвижного контакта переключателя RS-триггер переключаться не будет, и нагрузка окажется включенной постоянно. При крайнем верхнем положении этого контакта триггер также не переключится, но в этом случае его состояние будет противоположным предыдущему, и нагрузка окажется выключенной. Таким образом, мощность в нагрузке можно регулировать ступенчато через 10% ее максимального значения.
Счетчик К155ИЕ2 можно заменить на К155ИЕ5, тогда период работы регулятора будет состоять не из 10, а из 16 тактовых импульсов, что позволит регулировать мощность более плавно. При этом не обязательно использовать переключатель SA1 на 17 положений - в области максимальных значений мощности можно использовать не все выходы дешифратора, а, скажем, через один.
На рис. 72 представлена еще одна схема регулятора мощности с малым уровнем помех (первый вариант). Основные отличия от описанного выше регулятора состоят в следующем. Во-первых, регулирование мощности осуществляется с помощью переменного резистора. Во-вторых, регулирование мощности выполняется менее плавно, чем в предыдущем устройстве. В-третьих, данное устройство
проще.
Работает регулятор следующим образом. Импульсы выпрямленного напряжения сети с мостового выпрямителя VD6 через делитель R1R3 поступают на вход формирователя, выполненного на логических элементах-инверторах DD1.4, DD1.5 и резисторах R2, R5. Формирователь работает так же, как триггер Шмитта (см. рис. 52), поэтому на выходе элемента DD1.6 присутствуют прямоугольные импульсы частотой 100 Гц (рис. 73, эпюра 2). Импульсы формируются при приближении сетевого напряжения к нулю.
На логических элементах DD1.1-DD1.3 выполнен генератор прямоугольных импульсов частотой около 10 Гц. Скважность импульсов регулируется переменным резистором R4 (рис. 73, эпюра 3).
Импульсы формирователя и генератора суммируются через диоды VD3, VD4 на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 открывается в том случае, когда на выходах логических элементов DD1.3 и DD1.6 имеется напряжение высокого уровня. Таким образом, транзистор VT1, а следовательно, и тринистор VS1 открыты в течение полупериодов сетевого напряжения, соответствующих наличию напряжения высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3. Изменяя скважность импульсов генератора, можно управлять соотношением числа полупериодов открытого и
закрытого состояний тринистора VS1, т. е. средней мощностью в нагрузке (см. рис. 73).
Если частота генератора 10 Гц, то число ступеней (уровней) регулирования мощности составляет 100:10 = 10. Мощность в нагрузке пульсирует с частотой 10 Гц, поэтому лампу накаливания нельзя использовать в качестве нагрузки (пульсации яркости будут заметны глазу). Если, допустим, увеличить частоту генератора до 20 Гц, то число ступеней регулирования уменьшится до 5, но зато возрастет частота пульсации мощности в нагрузке.
Микросхемы питаются от параметрического стабилизатора R7VD5, пульсации сглаживаются конденсатором С2.
Микросхему К561ЛН2 можно заменить микросхемой К561ЛН1 или двумя микросхемами К561ЛА7, а также соответствующими аналогами из серии К176.
Максимальная мощность нагрузки составляет 200 Вт. Если ее необходимо увеличить, следует использовать тринистор VS1, выпрямительный мост VD6 и предохранитель FU1 на больший рабочий ток. Однако при этом на диодах моста будет выделяться значительная тепловая мощность. Целесообразнее было бы в качестве регулирующего элемента использовать симистор (тогда не понадобится силовой выпрямительный мост), однако для управления симистором придется кардинально переделать схему формирования управляющих импульсов и применить для питания трансформатор, что усложнит устройство. Поэтому было решено использовать тринистор, встречно-параллельно которому включен диод. Схема такого регулятора показана на рис. 74 (второй вариант). Тринистор VS1 должен быть типа КУ202Н.
На логических элементах DD1.1, DD1.2 выполнен триггер Шмитта, а на логических элементах DD1.3-DD1.5 - генератор. Поскольку управление тринистором VS1 необходимо осуществлять не в каждом полупериоде, а в каждом втором полупериоде» когда к электродам тринистора приложено прямое напряжение, на вход триггера Шмитта (правый по схеме вывод резистора R1) поступают импульсы с частотой 50 Гц, на выходе триггера при этом имеется меандр. На элементах СЗ, R4, R5 выполнена дифференцирующая цепь, благодаря которой на вход элемента DD1.6 поступают короткие (15...20 мкс) импульсы, соответствующие началу каждого второго полупериода. Кроме того, на вход элемента DD1.6 через диод VD3 поступают импульсы с выхода генератора. На выходе элемента DD1.6 имеются короткие отрицательные импульсы, которые открывают транзистор VT1 и подают ток на управляющий
электрод тринистора.
Следует сказать, что в предыдущей схеме регулятора (рис. 72) не было необходимости применять дифференцирующую цепь на выходе триггера Шмитта, поскольку триггер формировал короткие импульсы при достижении сетевым напряжением нуля.
Источник питания микросхемы и цепи управления тринистором выполнен по однополупериодной схеме на элементах RIO, VD4, VD5. Благодаря большой скважности импульсов тока, протекающих через управляющий электрод тринистора (скважность равна 50...70), и наличию накопительного конденсатора С1 удалось обеспечить амплитуду импульсов тока через управляющий электрод около 100 мА при среднем токе через резистор R10 около 3 мА.
Выключатель Q1 позволяет выбирать пределы регулирования мощности в нагрузке: при разомкнутых контактах мощность регулируется от нуля до 50%, при замкнутых - от 50 до 100%.
Тринистор VS1 может быть также типа Т112-10. Диод VD6 -КД202 с буквами К, М, Р; Д232 (А, Б), Д233 (А, Б), Д246 (А, Б), Д247 (А, Б). Резистор R10 - МЛТ-1 или МЛТ-2.
Выключатель Q1 - тумблеры типов ТВ1, Т1-ТЗ. Остальные типы деталей - те же, что и в предыдущем варианте.
Тринистор VS1 и диод VD6 установлены на едином радиаторе с поверхностью охлаждения около 300 см^2. Электрическая изоляция их корпусов не требуется, поскольку у тринистора с корпусом соединен анод, а у диода - катод, которые в устройстве электрически
соединены.
Мощность нагрузки определяется допустимым прямым током тринистора и диода VD6 и для указанных на схеме типов составляет 2 кВт. Для увеличения мощности до 4 кВт следует применить диод
VD6 с прямым током 10 А, а также увеличить вдвое площадь радиатора, использовать предохранитель FU1 на ток 20 А.
Рис. 68 Принципиальная схема регулятора мощности для электроплитки
Рис. 69 Схема регулятора мощности с цифровым управлением
Рис. 70 Временные диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора мощности
Рис. 72 Принципиальная схема регулятора мощности с малым уровнем помех (первый вариант)
Рис. 73 Временные диаграммы работы регулятора мощности
Рис. 74 Принципиальная схема регулятора мощности с малым уровнем помех (второй вариант)
4.7 Зарядные устройства для аккумуляторов.
4.7 Зарядные устройства для аккумуляторов
Соблюдение режима эксплуатации аккумуляторных батарей, и в частности режима зарядки, гарантирует их безотказную работу в течение всего срока службы. Зарядку аккумуляторных батарей производят вполне определенным током, значение которого можно определить по формуле I=0,1Q для кислотных и I=0,25Q для щелочных аккумуляторных батарей, где Q - паспортная электрическая емкость аккумуляторной батареи, А-ч; I - средний зарядный ток, А.
Установлено, что зарядка чрезмерно большим током приводит к деформации пластин аккумуляторов и даже разрушению их; зарядка малым током вызывает сульфатацию пластин и снижение емкости аккумуляторной батареи. Зарядный ток, рекомендуемый в инструкции по эксплуатации аккумуляторной батареи, обеспечивает оптимальное протекание электрохимических процессов в ней и нормальную работу в течение длительного времени. Степень заряженности аккумуляторной батареи можно контролировать как по значению плотности электролита и напряжению (для кислотных), так и по напряжению (для щелочных) на полюсных выводах.
Окончание зарядки кислотной аккумуляторной батареи определяют по следующим признакам: напряжение на каждом аккумуляторе батареи достигает 2,5...2,6 В; плотность электролита достигает определенного значения и больше не изменяется; происходит обильное газовыделение - электролит "кипит"; электрическая емкость, сообщенная батарее, на 15...20% больше емкости, отданной в процессе разрядки.
Кислотные аккумуляторные батареи чувствительны к недозарядке и перезарядке, поэтому их зарядку надо заканчивать своевременно.
Щелочные аккумуляторные батареи менее критичны к режиму эксплуатации. Для них окончание зарядки характеризуется установлением на каждом аккумуляторе напряжения 1,6... 1,7 В и сообщением батарее 150...160% емкости, отданной ею в процессе разрядки. Зарядное устройство обычно состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя и регулятора тока зарядки. В качестве регуляторов тока обычно используют проволочные реостаты и транзисторные стабилизаторы тока. В обоих случаях на этих элементах выделяется значительная тепловая мощность, что снижает КПД
зарядного устройства и увеличивает вероятность выхода его из строя.
Для регулировки зарядного тока можно использовать магазин конденсаторов, включаемых последовательно с первичной (сетевой)
обмоткой трансформатора и выполняющих функцию реактивных сопротивлений, гасящих избыточное напряжение сети. Упрощенная схема такого устройства приведена на рис. 75. В нем тепловая (активная) мощность выделяется лишь на диодах VD1-VD4 выпрямительного моста и трансформаторе, поэтому нагрев устройства незначителен. Ток зарядки аккумуляторной батареи GB1 поддерживается на определенном уровне. В процессе зарядки напряжение на батарее увеличивается, а ток, текущий через нее, стремится уменьшиться. Но при этом возрастает приведенное сопротивление первичной обмотки трансформатора Т1, напряжение на ней увеличивается, в результате чего ток через батарею GB1 изменяется незначительно.
Как показывают расчеты, наибольшее значение тока через аккумуляторную батарею при заданной емкости конденсатора С1 будет при равенстве падений напряжения на этом конденсаторе и первичной обмотке трансформатора. Первичную обмотку рассчитывают на полное напряжение сети для большей надежности устройства и возможности применения готовых понижающих трансформаторов, вторичную обмотку - на напряжение, в полтора раза большее, чем номинальное напряжение нагрузки.
В соответствии с этими рекомендациями и расчетами было собрано устройство, обеспечивающее зарядку 12-вольтовых аккумуляторных батарей током до 15 А, причем ток зарядки можно изменять от 1 до 15 А ступенями через 1 А. Предусмотрена возможность автоматического выключения устройства, когда батарея полностью зарядится. Оно не боится кратковременных коротких замыканий в цепи нагрузки и обрывов в ней.
Схема этого устройства приведена на рис. 76. Магазин конденсаторов состоит из конденсаторов С1-С4, суммарная емкость которых составляет 37,5 мкФ. Выключателями Q1-Q4 можно подключать различные комбинации конденсаторов и тем самым регулировать ток зарядки. Например, для тока зарядки, равного 11 А, необходимо замкнуть контакты выключателей Ql, Q2 и Q4.
Рассмотрим работу устройства. Допустим, что к гнездам XS1 и XS2 подключена аккумуляторная батарея и выключателями Q1-Q4 установлен требуемый зарядный ток. В этом случае при нажатии
кнопки SB1 "Пуск" сработает реле К1, контактами К1.1 оно заблокирует кнопку SB1, а контактами К 1.2 подключит к заряжаемой батарее цепь автоматического отключения устройства. Контакты К 1.2 необходимы для того, чтобы батарея не разряжалась после отключения устройства от сети через диод VD6 и резисторы R3-R5.
Переменным резистором R4 устанавливают порог срабатывания реле К2 (оно должно срабатывать при напряжении на гнездах XS1 и XS2, равном напряжению полностью заряженной батареи). Когда напряжение батареи достигнет заданного значения, откроются стабилитрон VD8 и транзистор VT2. Сработает реле К2, которое контактами К2.1 обесточит обмотку реле К1, а оно, отпуская, контактами К1.1 разорвет цепь питания устройства. При нарушении контакта в цепи нагрузки напряжение на гнездах XS1 и XS2 резко возрастет, отчего также сработает реле К2 и отключит устройство от сети.
Аварийное отключение устройства происходит при любом положении движка переменного резистора R4. Но такие случаи нежелательны так как в течение времени срабатывания реле К2 и отпускания реле К1 конденсаторы С1-С4 будут находиться под повышенным напряжением (превышающим сетевое). Поэтому зарядное устройство следует включать в сеть лишь после того, как аккумуляторная батарея подсоединена к выходным гнездам. При коротком замыкании в цепи нагрузки ток через гнезда XS1 и XS2 несколько увеличивается, но для устройства это не опасно.
Все постоянные резисторы устройства - типа МЛТ-0,5; переменный резистор R4 - типа СП-1. Вместо транзистора КТ801А (VT1) можно применить КТ603, КТ608, КТ815 с любыми буквенными
индексами, вместо транзистора КТ315Б (VT2)-KT315, KT312. КТ503, КТ601-КТ603 с любыми буквами. Измерительные приборы РА1 и PU1 - типа М5-2, рассчитанные соответственно на ток 30 А и напряжение 30 В. Реле К1 - типа PC-13 (паспорт РС4.523.029), его контакты К1.1 - параллельно соединенные три группы контактов. Возможно применение реле типа МКУ-48, рассчитанного на переменное напряжение 220 В. В этом случае надобность в диоде VD1 и конденсаторе С5 отпадает. Реле К2 - типа РЭС-22 (паспорт РФ4.500.129). Диоды Д305 двухполупериодного выпрямителя установлены на радиаторе с поверхностью охлаждения 300 см , от радиатора они электрически изолированы слюдяными прокладками. Радиатор крепится к шасси из дюралюминия, которое является как бы продолжением радиатора.
Вместо диодов Д305 можно применить Д214, Д242, но в этом случае в три-четыре раза возрастает тепловая мощность, рассеиваемая на них, поэтому размеры радиатора придется увеличить. Конденсаторы С1-С4 составлены из параллельно соединенных конденсаторов КБГ-МН, МБГЧ, МБГО, МБГП, МБМ соответствующих емкостей. Номинальное напряжение конденсаторов КБГ-МН и МБГЧ, рассчитанных на работу в цепях переменного тока, должно быть не менее 350 В, всех других типов конденсаторов - не менее 600 В. Конденсаторы С5-С7 - типов К50-3, К50-6, выключатели Ql-Q4-типа TB2-1-2 или ТП1-2, кнопка SB1 - КП1, КМ 1-1. П2К.
Сетевой трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ32х40. Обмотка I содержит 670 витков провода ПЭВ-1 0,9. обмотка II - 75 витков провода ПЭВ-2 2,26. Намотку вторичной обмотки ведут в два провода.
В качестве корпуса зарядного устройства можно использовать металлическую коробку размерами 360 х 220 х 220 мм, просверлив в ее стенках отверстия для свободной циркуляции воздуха.
Налаживание смонтированного устройства сводится к подбору шунта амперметра РА1 на ток 30 А и подбору емкостей конденсаторов С1-С4, обеспечивающих требуемые зарядные токи.
При зарядке 12-вольтовых аккумуляторных батарей током 15 А КПД устройства достигает 75%, а температура внутри корпуса после 10 ч непрерывной работы не поднимается выше 40 C.
Такое устройство можно применять и для зарядки аккумуляторных батарей с напряжением менее 12 В, например 6-вольтовых мотоциклетных. Но тогда надписи около выключателей Q1-Q4 не будут соответствовать фактическим значениям зарядных токов. Фактический зарядный ток в этом случае не должен превышать 15 А.
Это зарядное устройство можно дополнить измерителем заряда, сообщенного аккумулятору. Принцип работы такого измерителя
заряда может быть основан на преобразовании напряжения в частоту (схемы преобразователей "напряжение-частота" нередко приводятся в журнале "Радио"). Напряжение следует снимать с резистора небольшого сопротивления (0,05...0,1 Ом) включенного в цепь зарядки аккумулятора. При наличии цифрового счетчика заряда несложно обеспечить автоматическое отключение устройства от сети при сообщении батарее заданного заряда. Можно также дополнить зарядное устройство реле времени, чтобы отключение аккумулятора обеспечивалось автоматически через заданное время. Продолжительность зарядки при этом рассчитывают исходя из емкости, которую необходимо сообщить аккумулятору, и значения тока зарядки. Особенно удобно использовать заряд по времени в тех случаях, когда аккумулятор разряжен до напряжения 10,5 В (для 12-вольтного аккумулятора), при этом считается, что аккумулятору следует сообщить в процессе зарядки 105...110% его номинальной емкости.
На рис. 77 представлена схема еще одного зарядного устройства, в котором ток зарядки плавно регулируется от нуля до максимального значения. Изменение тока в нагрузке достигается регулированием угла открывания тринистора VS1. Узел регулирования выполнен на однопереходном транзисторе VT2. Времязадающий конденсатор С1 заряжается коллекторным током транзистора VT1. Значение этого тока определяется положением движка переменного резистора R3. Чем больше ток, тем быстрее заряжается конденсатор С1 до напряжения открывания транзистора VT2, тем раньше открывается тринистор VS1, тем больше среднее значение тока через аккумуляторную батарею. Следовательно, зарядный ток регулируется поворотом движка переменного резистора R3. Напряжение на этот резистор поступает от подключенной к гнездам XS1 аккумуляторной батареи. Чтобы исключить зависимость зарядного
тока от напряжения на аккумуляторной батарее, напряжение на переменном резисторе R3 стабилизировано стабилитроном VD6.
Питание базы транзистора VT1 частью напряжения аккумуляторной батареи позволило обеспечить эффективную защиту зарядного устройства от неправильной полярности подключения аккумуляторной батареи к гнездам XS1, т. е. от переполюсовки. При переполюсовке диод VD7 окажется включенным в обратном направлении, напряжение на базе транзистора VT1 будет отсутствовать, конденсатор С1 не будет заряжаться и ток в нагрузке будет равен нулю. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если к гнездам XS1 подключена нагрузка, не имеющая собственной ЭДС, а также аккумулятор с напряжением меньше 4...5 В.
Для измерения силы зарядного тока использован микроамперметр РА1 с шунтом из резисторов R7, R8. Защита устройства обеспечена со стороны сети и нагрузки предохранителями FU1 и FU2.
Налаживание зарядного устройства несложно. Подключив аккумуляторную батарею с номинальным напряжением 12 В и подав сетевое напряжение выключателемQ1, перемещают движок переменного резистора R3 в нижнее по схеме положение и подбором резистора R2 устанавливают ток в нагрузке, соответствующий максимальному значению (в данном случае 5 А). С помощью резистора R8 устанавливают предел измерения тока прибором РА1 - полное отклонение стрелки прибора должно соответствовать току 10 А.
На рис. 78 показаны временные диаграммы работы обоих описанных зарядных устройств. Ток заряда протекает через аккуму-
лятор только тогда, когда Uз < Ua. Таким образом, форма зарядного тока отличается от синусоидальной, особенно для устройства с тринисторным регулированием. Это приводит к увеличению коэффициента формы кривой зарядного тока (коэффициент формы - это отношение действующего значения тока к среднему значению тока). Под током заряда понимают именно среднее значение тока; это значение и показывает амперметр, включенный в зарядную цепь. Действующее же значение тока характеризует тепловые потери в обмотках трансформатора, диодах выпрямительного моста и регулирующем тринисторе. Следовательно, увеличение коэффициента формы кривой тока приводит к необходимости увеличивать сечение проводов обмоток трансформатора и его мощность, применять более мощные диоды и тринисторы и устанавливать их на радиаторах большей площади. Как показывает анализ, коэффициент формы растет с увеличением угла а: и с увеличением отношения Ua/Umax. Так, для зарядного устройства по схеме рис. 76 при Ua/Umax = 0,7, коэффициент формы равен 1,5; для зарядного устройства по схеме рис. 77 при Ua/Umax = 0,7, a = 90° коэффициент формы равен 3. Это означает, что вторичная обмотка трансформатора должна быть рассчитана на ток, втрое больший зарядного тока;
мощность трансформатора также должна быть втрое больше мощности, потребляемой аккумулятором.
Названное обстоятельство является существенным недостатком зарядных устройств с регулятором тока тринистором.
Значительно снизить потери мощности в тринисторе и, следовательно, повысить КПД зарядного устройства можно, если регулирующий элемент перенести из цепи вторичной обмотки трансформатора в цепь первичной обмотки. Схема такого устройства показана на рис. 79. Регулирующий узел аналогичен используемому в предыдущем варианте устройства. Регулирующий тринистор VS1 включен в диагональ выпрямительного моста VD1-VD4. Поскольку ток первичной обмотки трансформатора примерно в 10 раз меньше тока заряда, на диодах VD1-VD4 и тринисторе VS1 выделяется относительно небольшая тепловая мощность и они не требуют установки на радиаторы. Кроме того, значительно уменьшены потери мощности на шунте амперметра (резисторе R1) за счет включения амперметра в цепь первичной обмотки трансформатора Т1. Кроме того, применение тринистора в цепи первичной обмотки трансформатора позволило несколько улучшить форму кривой зарядного тока и снизить значение коэффициента формы кривой тока (что также приводит к повышению КПД зарядного устройства). К недостатку этого устройства следует отнести гальваническую связь с сетью элементов узла регулирования, что необходимо учитывать
при разработке конструктивного исполнения (например, использовать переменный резистор R6 с пластмассовой осью).
О деталях зарядных устройств. В первом варианте (рис. 77) в качестве тринистора VS1 можно применить тринисторы КУ202 с любыми буквами, а также тринисторы 2Т122-25, 2Т132-50. Во втором варианте зарядного устройства (рис. 79) можно использовать тринисторы типов КУ201 (К,Л); КУ202 (К-Н). Выпрямительные диоды, работающие в цепи вторичной обмотки, помимо указанных на схемах могут быть типов Д231-Д233 (без буквы или с буквой А). Диоды VD1-VD4 в схеме на рис. 79 могут быть типов Д231-Д234, Д245, Д247 (с любыми буквами), КД202 (с буквами К, М, Р). Времязадающий конденсатор С1 должен иметь небольшой температурный коэффициент емкости во всем диапазоне рабочих температур, в противном случае ток зарядки аккумулятора будет сильно зависеть от температуры. Желательно использовать конденсаторы типов К73-17, К73-24. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ25 х 50. Обмотка I содержит 710 витков провода ПЭВ-2 0,8, обмотка II - 65 витков провода ПБД 2,64.
В зарядном устройстве по схеме рис. 77 диоды VD1-VD4 установлены на радиаторах с поверхностью охлаждения 30...40 см^2 (если применены германиевые диоды типа Д305; для кремниевых диодов площадь поверхности радиаторов следует увеличить в 2...3
раза). Тринистор VS1 также установлен на радиаторе с охлаждающей поверхностью не менее 30 см^2. В зарядном устройстве по схеме рис. 79 на радиаторы установлены только диоды VD5-VD8.
К обоим зарядным устройствам могут быть подключены аккумуляторные батареи с напряжением как 12 В, так и меньше (например, 6 В).
На рис. 80 представлена еще одна схема зарядного устройства, в котором осуществляется стабилизация тока заряда. Регулирующим элементом является тринистор. Это устройство можно использовать не только для зарядки аккумуляторов, но и во всех других случаях, когда сопротивление нагрузки изменяется, а ток должен оставаться неизменным (например, для электролиза, который радиолюбители используют для травления печатных плат, для нанесения покрытий на металлические детали).
Основные характеристики такого зарядного устройства Максимальный ток нагрузки, А,................................................. 7
Максимальное напряжение на нагрузке, В................................ 16
Коэффициент стабилизации по току нагрузки Кст= (Uвх/Uвх)/(Iвых/Iвых), не менее ................................ 70
Коэффициент полезного действия, %, не менее........................ 70
Рассмотрим работу устройства по его принципиальной схеме и временным диаграммам (рис. 81), которые показаны для случая нагрузки, не содержащей источников ЭДС.
На транзисторе VT2 собран генератор пилообразного напряжения. Через резистор R4 на базу транзистора VT2 подано открываю
щее напряжение (рис. 81, диаграмма А), а через резистор R2 с двухполупериодного выпрямителя на диодах VD1-VD4 поступает закрывающее пульсирующее напряжение (рис. 81, диаграмма Б). Суммарное напряжение на базе транзистора VT2 показано прерывистой линией Б. Диод VD11 ограничивает амплитуду закрывающего напряжения. Сопротивление резисторов R2 и R4 выбрано таким, что транзистор большую ча
сть времени закрыт. Конденсатор С3 заряжается через резистор R5. Но в момент приближения сетевого напряжения к нулю транзистор VT2 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На коллекторе транзистора формируется напряжение, по форме близкое к пилообразному (рис. 81, диаграмма В), Через резистор R6 оно поступает на один из входов дифференциального усилителя на транзисторах VT4, VT5, а на другой подается напряжение (рис. 81, диаграмма Г) с выхода операционного усилителя (ОУ) DA1, которое зависит от положения движка резистора R 15.
Как только значения напряжения на базах транзисторов VT4 и VT5 сравняются, транзистор VT4 откроется. Вслед за ним откроется транзистор VT3 и сформирует импульс тока (рис. 81, диаграмма Д), открывающий тринистор VS1. С этого момента полупериода на нагрузку будет подано выпрямленное напряжение с обмотки II трансформатора Т1 (рис. 81, диаграмма Е). Чем больше напряжение на базе транзистораVT5, тем позже будут возникать импульсы, открывающие тринистор, и тем меньше будет средний ток через нагрузку.
Функцию стабилизатора тока выполняет узел на ОУ DA1. Датчиком тока служит резистор R 11; напряжение, снимаемое с этого резистора, пропорционально току нагрузки. Через резистор R13 оно подведено к неинвертирующему входу ОУ.
Если по какой-либо причине ток через нагрузку увеличился, то увеличивается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Это приводит к соответствующему увеличению напряжения на базе транзистора VT5 и увеличению угла открывания тринистора VS1 -ток через нагрузку уменьшается. Таким образом, отрицательная
обратная связь по току нагрузки поддерживает его на заданном уровне.
Конденсаторы С5, С7 сглаживают пульсации напряжения на выходе. Резисторы R 12, R 16 обеспечивают подачу небольшого отрицательного напряжения на инвертирующий вход ОУ в нижнем по схеме положении движка резистора R 15. Это позволяет регулировать ток нагрузки практически от нуля. Конденсатор С6 повышает устойчивость работы ОУ. На элементы устройства поступает напряжение питания от двух стабилизаторов (VD9, VT1 и VD12, R3).
В устройстве ОУ К140УД1Б можно заменить на К140УД5, К140УД6, К140УД7, К153УД2 (с соответствующей цепью коррекции); транзистор КТ801Б - на любой из серий КТ603, КТ608, КТ801, КТ807, КТ815; КТ315В - на КТ312, КТ315, КТ316, КТ201; КТ814Б -на КТ814, КТ208. Конденсаторы С1, С2, С4, С5, С7 устройства -
К50-6 или К50-35; С3, С6 - КМ-6 или К10-7в, КЛС. Резистор R11 образован двумя параллельно соединенными резисторами С5-16В
сопротивлением 0,1 Ом.
Диоды VD5-VD8 - типа Д305; их можно заменить на любые из серий Д242-Д248, но в этом случае возрастает рассеиваемая на каждом диоде мощность, и размеры теплоотводов придется увеличить. Амперметр РА1 - типа М5-2 с током полного отклонения
стрелки 10 А.
Трансформатор Т1 выполнен на ленточном магнитопроводе ШЛ25х32. Обмотка I содержит 710 витков провода ПЭВ-2 0,8;
обмотка II - 105 витков провода ПЭВ-2 0,21 с отводом от середины;
обмотка III - 80 витков провода ПБД 2,64.
Диоды VD5-VD8 установлены на теплоотводах площадью 50... 60 см^2 каждый. Тринистор VS1 установлен на теплоотводе площадью не
менее 200 см.
Большая часть элементов устройства смонтирована на печатной плате (рис. 82). Для налаживания устройства к его выходу подключают проволочный резистор сопротивлением 1...2 Ом и мощностью не менее 100 Вт (можно использовать нихромовую проволоку диаметром 0,5...1 мм). Движок переменного резистора R 15 устанавливают в верхнее по схеме положение и подборкой резистора R 14 добиваются, чтобы ток через нагрузку был равным 7 А. При вращении ручки переменного резистора ток должен плавно уменьшаться до нуля.
В заключение отметим, что применяемый тип тринистора VS1 и данные трансформатора указаны для использования в режиме зарядки аккумуляторов током до 7 А. Как уже отмечалось, запас по мощности тринистора и трансформатора необходим в связи с большим значением коэффициента формы зарядного тока. Если же устройство будет работать на нагрузку, не имеющую собственной ЭДС (например, гальваническую ванну), то мощность трансформатора может быть значительно снижена. При указанных данных устройство может отдавать в нагрузку ток до 12... 15 А, однако придется подобрать сопротивление резистора R14.
На рис. 83 представлена схема зарядного устройства, которое обеспечивает автоматическую зарядку аккумуляторных батарей напряжением б... 12 В и током до 6 А. Устройство автоматически уменьшает зарядный ток в 1,5...2 раза примерно через 8 ч после начала зарядки, а через 11 ч зарядка прекращается совсем. Уменьшение зарядного тока в конце зарядки положительно сказывается на протекании электрохимических процессов в аккумуляторе.
Рассмотрим работу зарядного устройства. Допустим, что аккумуляторная батарея подключена к гнездам XS1 в соответствии с
указанной полярностью, а контакты выключателя питания Q1 замкнуты.
Напряжение с выводов обмотки II трансформатора Т1 подается на двухполупериодный управляемый выпрямитель, выполненный на тринисторах VS1, VS2, а затем - на зажимы аккумуляторной батареи. Напряжение на управляющие электроды тринисторов поступает через диоды VD1, VD2 от узла формирования управляющих импульсов, выполненного на транзисторах VT1-VT5. Угол открывания тринисторов VS1, VS2, а следовательно, среднее значение зарядного тока задаются положением движка переменного резистора R7 (более подробно об этом можно прочитать в описании работы зарядного устройства, схема которого приведена на рис. 77). Аналогичным образом в этом зарядном устройстве обеспечивается защита от переполюсовки выводов аккумуляторной батареи.
Импульсы, сформированные однопереходным транзистором VT2, усиливаются по току транзистором VT3 и через диоды VD1, VD2 подаются на управляющие электроды тринисторов. При положительных полуволнах напряжения вторичной обмотки работает один тринистор, а при отрицательных - другой; импульсы же управления формируются в каждом полупериоде и подаются на управляющий электрод тринистора VS1 через диод VD1, а тринистора VS2 - через диод VD2. Полевые транзисторы VT4, VT5 обеспечивают изменение зарядного тока в конце зарядки, а затем полное отключение аккумулятора. Для формирования соответствующих временных интервалов используются микросхемы DD1, DD2.
На счетный вход С1 микросхемы DD1 К176ИЕ12 (работа этой микросхемы подробно рассматривалась выше) подаются прямоугольные импульсы с частотой, равной удвоенной частоте сетевого напряжения, т. е. 100 Гц. Эти импульсы формируются из двухполупериодного выпрямленного напряжения, снимаемого с диодов VD3, VD4 и поданного через резистор R4 на базу транзистора VT6. Благодаря работе транзистора в ключевом режиме с его коллектора снимаются импульсы прямоугольной формы. С выхода S2 микросхемы DD1 снимаются импульсы, имеющие частоту в 2^14= 16 384 раз меньшую, чем на входе С1; эти импульсы подаются на вход второго счетчика С2, который делит частоту импульсов еще на 60. Таким образом, на выводе 10 микросхемы DD1 имеются импульсы с частотой около 0,0001 Гц, что соответствует периоду в 2,7 ч. Эти импульсы поступают на вход СР счетчика-дешифратора DD2 (работа этой микросхемы также подробно рассматривалась на предыдущих страницах книги). Через время 2,7 х 3 = 8,1 ч на выводе 7 микросхемы DD2 появляется напряжение высокого уровня, которое через резистор R12 подается на затвор полевого транзи-
стора VT5 и закрывает его. В результате сопротивление цепи зарядки конденсатора С2 увеличивается на значение сопротивления резистора R10 и зарядный ток уменьшается в 1,5...2 раза.
Еще через 2,7 ч напряжение высокого уровня появляется на выводе 10 микросхемы DD2, что приводит к закрыванию полевого транзистора VT4. Цепь зарядки конденсатора С2 оказывается обесточенной, формирование импульсов управления прекращается и зарядный ток аккумулятора падает до нуля. Одновременно появившееся на выводе 13 (вход CN) микросхемы DD2 напряжение высокого уровня запрещает дальнейшую работу счетчика микросхемы DD2. В таком состоянии зарядное устройство может находиться до тех пор, пока вновь не будет нажата кнопка SB1 "Пуск". Нажатие этой кнопки устанавливает счетчики микросхем DD1, DD2 в нулевое состояние, и с этого момента начинается отсчет интервалов времени.
Микросхемы DD1, DD2 и формирователь импульсов на транзисторе VT6 питаются от параметрического стабилизатора R3VD8, который, в свою очередь, питается от двухполупериодного выпрямителя VD3VD4. Диод VD7 обеспечивает развязку импульсов переменного напряжения, подаваемого на формирователь VT6, от постоянного напряжения на конденсаторе С1. Формирователь управляющих импульсов питается через диоды VD1 и VD2 и управляющие электроды тринисторов.
В автоматическом зарядном устройстве могут быть использованы детали следующих типов. Тринисторы VS1, VS2 - типа КУ202 с буквами Е, И, Л, Н (тринисторы должны допускать подачу как прямого, так и обратного напряжения не менее 100 В), а также любые из серий Т10, Т112, Т132. Диоды КД521Б могут быть заменены на КД521А (В), Д223А (Б), КД102А(Б), КД106А, КД105Б. Транзистор VT1 может быть типа КТ502 (с любыми буквами), КТ361 (А, В-Е), КТ209 (Г-М); VT3 - КТ815, КТ817 с любыми буквами; VT4, VT5 -КП103 с любыми буквами; VT6 КТ315, КТ503 с любыми буквами. Конденсатор С1 - типа К50-24 или К50-16; С2-К73-17, К73-24. Переменный резистор R7 - СПЗ-4аМ, СП-04, СПЗ-9а. Кнопка SB1 -П2К или КМ1-1; выключатель питания Q1 - ТВ2-1, МТ-1, Т1.
Тринисторы установлены на общем радиаторе без применения изолирующих шайб. Радиатором может служить металлический корпус прибора.
Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ШЛ25 х 50. Обмотка I содержит 710 витков провода ПЭВ-2 0,8, обмотка II -125 витков провода ПЭБ-2 1,32 с отводом от середины.
Настройку зарядного устройства осуществляют следующим образом. Правые по схеме выводы резисторов R 11, R 12 отсоеди
няют от выходов микросхемы DD2 и подсоединяют к эмиттеру транзистора VT6, при этом оба полевых транзистора должны быть открыты. К гнездам XS1 подключают аккумуляторную батарею напряжением 12 В и подают напряжение питания выключателем Q1. Движок переменного резистора R7 устанавливают в нижнее по схеме положение. Подборкой сопротивления резистора R9 устанавливают максимальный зарядный ток 6 А. Затем правый по схеме вывод резистора R 12 соединяют с плюсовым выводом конденсатора С1 (при этом транзистор VT5 закрывается) и подборкой сопротивления резистора R10 устанавливают ток через аккумулятор 3...4 А. После этого правые по схеме выводы резисторов Rll, R12 подключают в соответствии с принципиальной схемой. Настройка на этом закончена.
Последовательность действий при работе с данным зарядным устройством такова: подключают заряжаемую аккумуляторную батарею к гнездам XS1, подают напряжение сети на первичную обмотку трансформатора Т1, затем нажимают кнопку SB1 - отсчет времени начался. Примерно через 11 ч аккумулятор полностью обесточится.
Рис. 75 Упрощенная схема зарядного устройства
Рис. 76 Принципиальная схема зарядного устройства
Рис. 77 Принципиальная схема зарядного устройства с тринисторным регулятором тока
Рис. 78 Временные диаграммы работы зарядного устройства
Рис. 78 Временные диаграммы работы зарядных устройств
Рис. 79 Зарядное устройство с тринистором в цепи первичной обмотки трансформатора
Рис. 80 Принципиальная схема зарядного устройства со стабилизатором тока
Рис. 82 Монтажная плата зарядного устройства
Рис. 83 Автоматическое зарядное устройство
4.8 Устройство для автоматической зарядки и разрядки автомобильных аккумуляторов.
4.8 Устройство для автоматической зарядки и разрядки автомобильных аккумуляторов 
В процессе длительного (несколько месяцев) хранения автомобильных аккумуляторных батарей происходит их саморазряд, в связи с чем рекомендуется не реже одного раза в месяц производить подзарядку аккумуляторов. Однако обычная подзарядка не в состоянии предотвратить сульфатацию пластин, приводящую к уменьшению емкости аккумулятора и снижению срока его службы. Для того чтобы исключить эти нежелательные явления, рекомендуется время от времени производить тренировку аккумулятора:
разрядку его током, в амперах численно равным 1/20 номинальной емкости, выраженной в ампер-часах, до напряжения 10,5 В, и последующую зарядку до напряжения 14,2...14,5 В. Такой зарядно-разрядный цикл можно повторять неоднократно, если батарея сильно засульфатирована или длительное время находилась в полуразряженном состоянии.
Описываемое ниже зарядно-разрядное устройство предназначено для работы совместно с зарядным устройством, обеспечивающим необходимый зарядный ток. Устройство позволяет:
производить разрядку аккумулятора до напряжения 10,5 В;
автоматически начинать зарядку по окончании разрядки;
вести зарядку асимметричным током при соотношении зарядной и разрядной составляющих равном 10;
прекратить зарядку аккумулятора при достижении напряжением на зажимах аккумулятора значения 14,2...14,5 В, что соответствует сообщению аккумулятору его полной номинальной емкости;
контроль напряжения происходит в момент, когда зарядный ток через аккумулятор не протекает;
прекратить разрядку аккумулятора при пропадании сетевого напряжения;
производить циклы разрядки-зарядки однократно или многократно.
Рассмотрим работу устройства по его принципиальной схеме, приведенной на рис. 84.
Зарядно-разрядное устройство состоит из собственно зарядного устройства (ЗУ), обозначенного на схеме прямоугольником, и электронного узла управления. Питание узла управления осуществляется от аккумуляторной батареи.
В качестве порогового элемента (компаратора), вырабатывающего сигнал при достижении напряжением на аккумуляторе значения свыше 14,2...14,5 В и при снижении до 10,5 В, используется интегральный таймер КР1006ВИ1 (микросхема DA1). Напомним кратко, как работает эта микросхема. Таймер содержит два основных входа: вход запуска (вывод 2) и пороговый вход (вывод 6). На этих входах происходит сравнение внешних напряжений с эталонными значениями, составляющими для указанных входов соответственно 1/3 Uпит и 2/3 Uпит, где Uпит - напряжение питания таймера, поданное на вывод 8 относительно общего вывода 1. Если на выводе 6 действует напряжение меньше 2/3 Uпит; то уменьшение напряжения на выводе 2 до значения, меньшего 1/3 Uпит приведет к установке таймера в состояние, когда на выходе Q (вывод 3) действует напряжение высокого уровня. При последующем повышении напряжений на входах соответственно больше 1/3 Uпит и 2/3 Uпит таймер переключится в другое устойчивое состояние, которому соответствует напряжение низкого уровня на выходе таймера.
Вывод 5 таймера служит для контроля значения образцового напряжения, а также для возможного изменения его значения с помощью внешних элементов. В данном случае образцовое напряжение стабилизировано стабилитрономVD3. Это сделано для повышения устойчивости работы компаратора при отслеживании медленно изменяющихся напряжений. Этой же цели служит и стабилизация напряжения питания таймера параметрическим стабилизатором VD2R8. Нижний и верхний пороги срабатывания компаратора можно изменять подстроечными резисторами R10 и R9.
Допустим, что аккумуляторная батарея и ЗУ подключены к устройству и в сети присутствует напряжение 220 В. Напряжение не слишком сильно разряженного 12-вольтового аккумулятора обычно составляет 12...12,6 В. При этом интегральный таймер установится в состояние, соответствующее напряжению высокого уровня на его выходе, и транзистор VT1 будет открыт. Будет светиться светодиод HL1, индицирующий режим заряда. Однако, как правило, степень разряженности подключенного аккумулятора неизвестна, и перед началом зарядки его следует разрядить до напряжения 10,5 В. Для включения режима разрядки кратковременно нажимают кнопку SB1 "Пуск". При этом через контакты SB1.1 на вывод 6 таймера подается напряжение, переключающее его в противоположное состояние, и светодиод HL1 гаснет. Одновременно контакты SB1.2 подают на RS-триггер DD1.1DD1.2 сигнал, устанавливающий его в состояние напряжения высокого уровня на выходе логического элемента DD 1.1
При показанном на схеме положении контактов переключателя SA1 на выходах логических элементов DD1.3, DD1.4, включенных инверторами, действует напряжение низкого уровня. Если транзистор оптопары U2 открыт, то через базу транзистора VT4, резистор R22, транзистор оптопары и выходы логических элементов DD1.3 и DD1.4 протекает ток, достаточный для насыщения составного транзистора VT4. При этом через лампу накаливания EL1, подключенную к зажимам ХТЗ, ХТ4, начинает протекать разрядный ток аккумулятора. Разрядный ток в данном случае составит около 2,5 А, что соответствует режиму 20-часового разряда аккумулятора 6СТ55. При разрядке аккумулятора иной емкости следует применять лампу EL1 другой мощности, выбранной с учетом указанных выше соображений.
В устройстве предусмотрено отключение цепи разрядки при пропадании сетевого напряжения. Для этой цели используется транзисторная оптопара U2. Напряжение сети через резистор R1 подается на диодный мост VD1, выпрямляется им и подается на последовательно соединенные светодиоды оптопар U1 и U2. Конденсатор С1 и резистор R2 образуют фильтр, который сглаживает пульсации тока, протекающего через светодиод оптопары U2. Пока в сети имеется напряжение, через светодиод оптопары U2 протекает ток, фототранзистор открыт и выходной ток логических элементов DD1.3 иDD1.4 протекает через базу транзистора VT4. открывая последний. Идет разрядка аккумулятора на лампу EL1. При пропадании сетевого напряжения фототранзистор оптопары закрывается, это приводит к закрыванию транзистора VT4 и прекращению разрядки аккумулятора.
По мере разрядки аккумулятора напряжение на его зажимах уменьшается. Когда оно достигнет 10,5 В, интегральный таймер DA1 переключится в противоположное предыдущему состояние, которому соответствует напряжение высокого уровня на выходе Q. При этом откроются транзисторы VT1 и VT2. Открывание транзистора VT1 вызовет подачу напряжения на светодиод оптопары U3. зажигание светодиода HL1 "Зарядка", переключение RS-триггера DD1.1DD1.2, а также открывание транзистора VT3. Переключение RS-триггера приведет к появлению напряжения высокого уровня на выходах логических элементов DD1.3, DD1.4. Светодиод HL2 погаснет, транзистор VT4 закроется и разрядка аккумулятора прекратится. Одновременно через открывшийся фототиристор оптопары U3 напряжение с выхода зарядного устройства ЗУ будет подано на выводы аккумуляторной батареи, и начнется ее зарядка.
Ток зарядки устанавливают в соответствии с инструкцией по эксплуатации аккумуляторной батареи, т.е. равным 1/10 или 1/20 емкости батареи. Если зарядка идет без контроля оператора, следует обеспечить ограничение колебаний зарядного тока при возможных колебаниях сетевого напряжения. Самый простой способ стабилизации тока - включение двух-трех параллельно соединенных автомобильных ламп мощностью 40... 50 Вт в разрыв одного из выходных проводов зарядного устройства. Такой же эффект может быть достигнут включением лампы напряжением 220 В и мощностью 200...300 Вт в разрыв одного из входных (сетевых) проводов ЗУ. Сопротивление вольфрамовой нити ламп накаливания возрастает с увеличением температуры, т.е. лампа обладает свойствами стабилизатора тока.
Зарядный ток содержит дозированную разрядную составляющую, что благотворно сказывается на протекании электрохимических процессов в батарее. Разрядная составляющая тока протекает через резистор R 19 и транзистор VT3 и равна примерно 0,5 А.
В процессе зарядки напряжение на полюсных выводах аккумулятора плавно увеличивается. Известно, что напряжение полностью заряженной батареи составляет 14,2...14,5 В. Измерение этого напряжения следует производить в отсутствие зарядного тока, поскольку импульсы зарядного тока в зависимости от степени разряженности аккумуляторной батареи увеличивают мгновенное значение напряжения на ее зажимах на 1...3- В по сравнению с режимом, когда ток зарядки не протекает. Для обеспечения такого режима измерения в устройстве использованы элементы U1, R4, VT2. В режиме зарядки транзистор VT2 открыт. На рис. 85 показаны эпюры напряжений и токов, поясняющие работу оптопар U1 и U2.Напряжение сети (эпюра 1) выпрямляется диодным мостом
(эпюра 2) и подается на светодиоды оптронов U1 и U2. Фототранзистор оптрона U1 открывается в моменты, когда ток через светодиод этого оптрона (эпюра 3) превышает ток открывания фототранзистора. При этом резистор R4 шунтирует подстроенный резистор R9, и верхний порог срабатывания интегрального таймера DA1 значительно увеличивается. Фототранзистор открыт большую часть периода сетевого напряжения, и лишь в моменты перехода сетевого напряжения через нуль фототранзистор закрывается, и порог срабатывания таймера уменьшается до 14,2...14,5 В. Именно в это время через аккумулятор не протекает ток зарядки. Такое измерение производится в каждом полупериоде, т.е. 100 раз в секунду. Длительность измерения составляет 1...3 мс. Как только напряжение на аккумуляторе достигнет в отсутствие тока зарядки 14,2...14,5 В, таймер DA1 переключится в противоположное состояние, и зарядка прекратится. Однако разрядка не начнется, поскольку RS-триггер не изменит своего состояния. Закончился один цикл работы устройства. В таком состоянии устройство может находиться несколько суток, поскольку потребляемый им от аккумулятора ток достаточно мал (20...30 мА) и не может вызвать его существенной разрядки.
Если необходима многократная тренировка батареи разрядно-зарядными циклами, контакты переключателя SA1 переводят в нижнее по схеме положение. В этом случае RS-триггер не будет задействован, и режимы зарядки и разрядки будут чередоваться до тех пор, пока не будет выключено сетевое напряжение либо не будет отключен заряжаемый аккумулятор. Конденсаторы С2, СЗ повышают помехоустойчивость работы таймера. Резисторы R 18, R21 обеспечивают надежное удержание транзисторов VT3, VT4 закрытыми в отсутствие тока базы.
В устройстве вместо КТ608Б можно применять любые транзисторы из серий КТ603, КТ608, КТ3117, КТ815; вместо КТ503Б-КТ315, КТ501, КТ503, КТ3117 с любыми буквами; вместо КТ814Б -любой из серий КТ814, КТ816, КТ818, КТ837 и вместо КТ825Г -любой из этой серии. Оптопары U1,U2 годятся любые из серий АОТ101, АОТ110, АОТ123, АОТ128, может лишь потребоваться уточнение сопротивления резисторов R3 и R23 по надежному открыванию фототранзисторов. В качестве оптопары U3 можно использовать оптронные тиристоры Т02-10, Т02-40, ТСО-10. Диодный мост VD1 может быть также типов КЦ402, КЦ405 с буквами А-В.
Стабилитрон VD2 желательно использовать с небольшим температурным коэффициентом напряжения, например, Д818 с другими буквами. Оксидный конденсатор С1 - К50-16, К50-35, К50-29; С2, СЗ -КМ-бб, К10-23, К73-17. Подстроечные резисторы R9, RIO - любые многооборотные, например, СП5-2. Резистор R19 - типа ПЭВ мощностью 10 или 15 Вт. Остальные - МЛТ, ОМЛТ, С2-23. Кнопка SB1, переключатель SA1 - любого типа, например, КМ2-1 и МТ1.
Зарядное устройство ЗУ, являющееся источником зарядного тока, обязательно должно иметь на выходе пульсирующее напряжение -это необходимо для нормальной работы узла на оптопаре U1.
Большая часть элементов устройства установлена на печатной плате. Оптопара U3 и транзистор VT4 установлены на радиаторах с поверхностью охлаждения 100... 150 см^2. Плата установлена в любом корпусе подходящих размеров (например, 260 х 100 х 70 мм). Соединения, по которым протекает ток зарядки и разрядки, должны быть выполнены проводами сечением не менее 2 мм^2. Провода, соединяющие устройство с аккумуляторной батареей, желательно выбрать гибкими.
Для налаживания устройства потребуются источник постоянного напряжения, регулируемого в пределах 9...15 В и током не менее 0,6 А, и вольтметр.
Зарядное устройство и лампу EL1 временно отключают от устройства, а вместо аккумулятора подключают источник постоянного напряжения. Установив по вольтметру напряжение 10,5 В, подстроечным резистором R 10 устанавливают нижний порог срабатывания компаратора, а затем, установив напряжение 14,2...14,5 В, подстроечным резистором R9 устанавливают верхний порог. О срабатывании компараторов таймера судят по зажиганию светодиодов HL1 и HL2.
Если имеется осциллограф, его вход подключают параллельно резистору R9, и при подключенном аккумуляторе и при поданном напряжении сети наблюдают кратковременное периодическое увеличение напряжения на выводе 6 микросхемы DA1, соответствующее моменту прохождения сетевого напряжения через нуль. При отсутствии осциллографа можно обойтись вольтметром, который также подключают к резистору R9. На нем замеряют напряжение, когда сетевое напряжение подано на мост VD1 через резистор R1, а затем напряжение сети отключают. Напряжение на резисторе R9 должно несколько увеличиться. В противном случае следует проверить исправность оптопары U1.
На этом настройку можно считать законченной.
Рис. 84 Устройство для автоматической зарядки и разрядки автомобильных аккумуляторов
Рис. 85 Эпюры напряжений и токов устройства
4.9 Регуляторы для холодильников.
4.9 Регуляторы для холодильников
Подавляющее большинство бытовых холодильников оснащены датчиком температуры. Пока температура среды, окружающей датчик, выше требуемой, контакты датчика замкнуты и компрессор холодильника работает, нагнетая хладагент в камеру охлаждения. При понижении температуры контакты датчика размыкаются и отключают электродвигатель компрессора. Затем цикл работы повторяется. Таким образом .температура в холодильнике поддерживается на постоянном уровне, определяемом настройкой датчика.
Когда датчик выходит из строя, возникает необходимость ремонта холодильника. Холодильник можно сделать вновь работоспособным, если собрать несложное устройство, которое будет регулировать периоды включенного и выключенного состояний компрессора холодильника и, следовательно, температуру холодильного шкафа. Правда, такая система регулирования работает без обратной связи, но опыт эксплуатации подобного устройства показал, что оно обеспечивает неплохую точность поддержания температуры.
Принципиальная схема регулятора представлена на рис. 86. Генератор прямоугольных импульсов и 15-разрядный делитель частоты выполнены на микросхеме К176ИЕ5. Элементы времязадающей цепи генератора (R1 и С1) подключены к выводам 9 и 11 микросхемы, а выходные импульсы снимаются с выхода последнего разряда делителя (вывод 5 микросхемы). Входы установки исходного состояния триггеров R и S постоянно соединены с общим проводом.
Прямоугольные импульсы с периодом следования около 1,5 мин поступают на вход CN микросхемы DD2 (на второй счетный вход СР этой микросхемы подано напряжение высокого уровня, разрешающее счетный режим по входу CN). Микросхема К176ИЕ8 содержит
двоично-десятичный счетчик, совмещенный с дешифратором двоично-десятичного кода в позиционный код. При поступлении счетных импульсов напряжение высокого уровня появляется последовательно на выходах 0, 1, ... , 9.
На логических элементах DD3.3 и DD3.4 выполнен RS-триггер, управляющий исполнительной цепью. Допустим, что питание подано на элементы устройства, а RS-триггер DD3.3DD3.4 находится в состоянии, при котором на выводе 10 микросхемы DD3 присутствует напряжение высокого уровня. Через делитель R4R5 оно поступает на базу транзистора VT1, открывая последний. Электромагнитное реле К1 срабатывает, и контакты К 1.1 подают ток на управляющий электрод симистора VS1. Симистор находится в проводящем состоянии, и, поскольку он включен в цепь питания реле компрессора холодильника, охлаждающий агрегат работает. Допустим, что подвижный контакт переключателя SA1 соединен с выходом 7 микросхемы DD2. При появлении на этом выходе напряжения высокого уровня на выходе логического элемента DD3.2 возникнет напряжение низкого уровня, которое переключит триггер DD3.3DD3.4 в противоположное состояние. Транзистор VT1 и симистор VS1 закроются, и компрессор холодильника выключится.
При появлении напряжения высокого уровня на выходах 8 и 9 триггер не изменит своего состояния. Когда напряжение высокого уровня появится на выходе 0 микросхемыDD2, спад импульса с выхода элемента DD3.1 через дифференцирующую цепь C2R2R3 переключит триггер в состояние, противоположное предыдущему;
симистор VS1 вновь откроется и включит холодильник. Таким образом, длительности включенного и выключенного состояний холодильника определяются положением подвижного контакта переключателя SA1: чем ниже (по схеме) находится этот контакт, тем больше длительность включенного состояния холодильника, тем ниже температура в холодильном шкафу.
Элементы регулятора питаются от простейшего параметрического стабилизатора с фильтром C3R7VD2C4.
Микросхемы К176ИЕ8 и К176ЛА7 можно заменить соответствующими аналогами из серии К561; микросхема К176ИЕ5 аналогов в других сериях не имеет. В качестве транзистора VT1 можно использовать КТ315, КТ503, КТ3117 с любыми буквенными индексами. Трансформатор Т1 - любого типа, обеспечивающий напряжение на вторичной обмотке 9...12 В при токе не менее 50 мА. Реле К1 - РЭС-64, паспорт РС4.569.724 (725, 726). При отсутствии симистора КУ208Г можно использовать тиристор; при этом контакты реле К 1.1 включают между анодом и управляющим электродом. Понадобится также выпрямительный мост, который "плюсом" подключают к аноду тиристора, а "минусом" - к катоду;
выводы переменного напряжения от моста подключают в разрыв цепи питания реле компрессора.
Регулятор, собранный из исправных деталей и без ошибок, в налаживании не нуждается. В случае необходимости период следования импульсов генератора можно изменить подбором элементов
R1 иС1.
На рис. 87 представлена схема терморегулятора для холодильника, в котором имеется обратная связь по температуре (первый вариант). Датчиком температуры в холодильнике является терморезистор R3. Когда температура в холодильном шкафу ниже заданной, сопротивление терморезистора велико, и на вход триггера Шмитта, выполненного на логических элементах DD1.1, DD1.2, с делителя R1R2R3 подается напряжение, при котором на выходе триггера действует напряжение высокого уровня. При этом на выходах элементов DD1.3, DD1.4, соединенных параллельно для увеличения выходного тока, имеется напряжение низкого уровня. Через открытый диод VD1 это напряжение приложено к эмиттеру однопереходного транзистора VT1, на котором выполнен генератор
управляющих импульсов для симистора. Конденсатор С4 не может заряжаться, и генератор заторможен, импульсы на обмотке II трансформатора Т1 отсутствуют, симистор VS1 выключен, компрессор холодильника не работает. За счет проникновения в холодильную камеру тепла окружающей среды температура в камере повышается, что приводит к уменьшению сопротивления терморезистора. При определенном значении температуры триггер переключится в состояние, при котором на его выходе (вывод 4 микросхемы DD1) установится напряжение низкого уровня. Оно инвертируется элементами DD1.3 и DD1.4 и подается на диод VD1. закрывая его. Теперь конденсатор С4 может заряжаться через резистор R6. Этот процесс зарядки-разрядки происходит периодически, и на вторичной обмотке трансформатора Т1 появляются импульсы частотой около 1...2 кГц, которые открывают симистор. На холодильник подается напряжение, и компрессор включается. Такой процесс периодически повторяется, в результате температура воздуха в холодильной камере поддерживается на заданном уровне с точностью не хуже ±0,5 град.
Источник питания терморегулятора - бестрансформаторный. Конденсаторы С5 гасит избыточное напряжение, а выпрямительный мост выпрямляет его. Напряжение стабилизируется стабилитроном VD1, пульсации сглаживаются конденсатором С1. Конденсатор С2 фильтрует помехи, поступающие из сети и способные вызвать ложные срабатывания триггера Шмитта. Для этого используют и конденсатор СЗ.
Датчик температуры R3 помещают на 10... 15 см ниже дна холодильной камеры. Переменным резистором R1 в холодильной
камере устанавливают желаемую температуру. Ее удобно контролировать по термометру, помещенному в холодильную камеру.
Типономиналы использованных деталей указаны на схеме; их возможные замены, думается, не вызовут затруднений. Заметим лишь, что конденсатор С5 - типа К73-17, а терморезистор R3 -КМТ-1, КМТ-4, КМТ-12, ММТ-6.
На рис. 88 представлена схема второго варианта терморегулятора для холодильника с обратной связью. Отличие от схемы первого варианта (см. рис. 87) состоит в том, что для управления симистором применено электромагнитное реле К1, контакты К 1.1 которого соединяют управляющий электрод симистора с его анодом, открывая симистор. Резистор R6 обеспечивает надежное закрывание транзистора VT1 при напряжении высокого уровня на выходе логического элемента DD1.4 (когда ток базы этого транзистора равен нулю). Диод VD1 гасит импульсы ЭДС самоиндукции, возникающие на обмотке реле К1 в момент его выключения, и тем самым предохраняет от пробоя транзистор VT1. Для повышения помехоустойчивости датчик температуры следует соединять с терморегулятором экранированным проводом.
Какому терморегулятору отдать предпочтение - с обратной связью или без нее? С одной стороны, обратная связь позволяет более точно поддерживать заданную температуру в холодильном шкафу. С другой стороны, наличие триггера с узкой зоной нечувствительности делает терморегулятор чувствительным к различным помехам, поступающим по сетевым проводам.Кроме того, при высокой температуре окружающей среды может оказаться, что холодильный агрегат не в состояний обеспечить заданную низкую
температуру, в результате чего компрессор будет все время работать. И хотя в холодильниках имеется защитное тепловое реле мотора компрессора, такой режим нежелателен.
У автора уже на протяжении восьми лет эксплуатируется терморегулятор без обратной связи (рис. 86), и он показал хорошие результаты. Температура контролируется по термометру. С наступлением теплого времени года подвижный контакт переключателя SA1 нужно перемещать вниз по схеме, обеспечивая большую относительную длительность включенного состояния компрессора.
Рис. 86 Схема регулятора для холодильника (без обратной связи)
Рис. 87 Схема регулятора для холодильника с обратной связью (первый вариант)
Рис. 88 Схема регулятора для холодильника с обратной связью (второй вариант)
5. Устройства для школьной лаборатории радиолюбителя.
Глава 5. Устройства для школьной лаборатории радиолюбителя.
5.1 Регуляторы мощности электропаяника.
В этом разделе рассказывается о некоторых устройствах, которые могут оказаться полезными радиолюбителям при конструировании и налаживании различной аппаратуры, а также приведены описания отдельных узлов устройств.
5.1 Регуляторы мощности электропаяльника
Поддержание жала электропаяльника в надлежащем состоянии -одно из важнейших условий качественного монтажа радиодеталей. Жало паяльника должно быть ровным, без впадин и заусениц. Оно не должно быть перегретым, иначе припой будет окисляться и пайка окажется недостаточно прочной. Оптимальной считают такую температуру жала, при которой канифоль не испаряется сразу, а держится на жале в виде расплавленных блесток.
На рис. 97 представлена схема регулятора, позволяющего в широких пределах изменять подводимую к паяльнику мощность. Его схема во многом аналогична схеме регулятора мощности, показанной на рис. 68. Разница лишь в том, что для регулирования здесь использован один тринистор и нагрузка питается постоянным напряжением. Резистор R3 имеет сопротивление около 2 кОм и подбирается при настройке.
Тринистор VS1 может быть типов КУ201, КУ202 с буквами К-Н. Диодный мост VD1 - типов КЦ402, КЦ405 с буквами А-В. Остальные детали - те же, что и в мощном тиристорном регуляторе. Аналогично проводится и настройка регулятора мощности паяльника.
Детали регулятора мощности паяльника можно смонтировать на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. 98). Ее помещают в корпус подставки паяльника, изготовленный из фанеры. На верхней крышке корпуса укрепляют ванночки для припоя и флюса (для них удобно использовать жестяные крышки от баночек с горчицей), гнезда для подключения паяльника, две пары гнезд для подключения к сети налаживаемых конструкций, переменный резистор R2. Мощность паяльника, подключаемого к регулятору, может составлять 40...90 Вт.
Для регулирования температуры паяльника напряжением 36 В можно использовать регулятор, схема которого показана на рис. 99. Напряжение сети понижается трансформатором Т1 и выпрямляется мостовым выпрямителем VD1. Пульсации сглаживаются конденсатором С1. На четырех логических элементах микросхемы DD1 собран генератор импульсов с регулируемой скважностью; частота импульсов составляет примерно 100 Гц. Составной транзистор VT1VT2 усиливает импульсы генератора по напряжению и току. Регулируя скважность импульсов, изменяют среднее значение тока через паяльник и температуру его жала.
В качестве микросхемы DD1 можно использовать также К155ЛАЗ, К155ЛЕ1 и их аналоги из серий К133. К158, КР1531, К555. Транзистор VT1 - КТ608 (А, Б), КТ3117 (A); VT2 - КТ819 (Б, В), КТ817 (Б-Г). Конденсатор С1 - типа К50-29, С2 - К50-16, СЗ - КМ-6. Трансформатор Т1 имеет магнитопровод ШЛ20х20, Обмотка I содержит 2000 витков провода ПЭВ-2 0,31, обмотка II - 365 витков провода ПЭВ-2 0,67.
Достоинством данного регулятора перед аналогичным тринисторным регулятором является возможность регулирования мощности паяльника при питании его от источника постоянного напряже
ния (например, от аккумуляторов в полевых условиях). В этом случае отпадает надобность в трансформаторе Т1, выпрямителе VD1.
Рис. 97 Схема регулятора мощности паяльника
Рис. 98 Печатная плата регулятора мощности и размещение деталей на ней
Рис. 99 Схема тринисторного регулятора мощности паяльника
5.2 Приспособление для удаления изоляции с монтажных проводов.
5.2 Приспособление для удаления изоляции с монтажных проводов
Монтажные провода в пластмассовой изоляции радиолюбители зачищают обычно с помощью ножа, ножниц или бокорезов. При этом, как правило, повреждается и металлическая жила провода. Кроме того, шелковую оплетку, если она есть, удалить таким способом весьма трудно. Предлагаемое несложное устройство позволяет быстро и качественно удалять изоляцию с концов монтажных проводов типа МГШВ, МГТФ и др. При этом металлические жилы проводов совершенно не повреждаются.
Приспособление для удаления изоляции с монтажных проводов (рис. 100) представляет собой нихромовую проволоку 1, закрепленную на двух держателях 2 с помощью винтов 3. Держатели укреплены винтами на текстолитовой пластине 4 толщиной
б... 10 мм. Здесь же установлена кнопка 5 с помощью винтов 6. Токоподводящие провода 7 закреплены жестяным хомутиком 8.
Для питания приспособления используется трансформатор, вторичная обмотка которого рассчитана на напряжение 4...5 В при токе 4...5 А. Можно применять трансформатор ТВК-110Л-1, удалив с него все вторичные обмотки и намотав новую вторичную обмотку, содержащую 45 витков провода ПЭВ-1 1,2. Первичная обмотка трансформатора во время выполнения работ все время включена в сеть, а нихромовую проволоку (ее диаметр 0,7...0,9 мм) с помощью кнопки кратковременно подключают к вторичной обмотке трансформатора.
Приспособление держат в правой руке, нажимают на 2...3 с кнопку и, вставив конец провода внутрь рабочей части нихромовой проволоки поворачивают провод на 1-1,5 оборота. После этого изоляция легко снимается с помощью пинцета.
Рис. 100 Приспособление для удаления изоляции с монтажных проводов
5.3 Источники питания.
5.3 Источники питания
Устройства, собранные на полупроводниковых приборах (транзисторы, тринисторы, микросхемы) и электромагнитных реле, питаются от источников постоянного напряжения. Как правило, отклонения напряжения от номинального значения не должны выходить за границы определенных допусков (например, для микросхем серии К155 питающее напряжение должно составлять 5В±5%). Поэтому источник питания устройств кроме трансформатора и выпрямителя должен содержать еще и стабилизатор напряжения.
Основой стабилизатора напряжения чаще всего служит кремниевый стабилитрон, включенный в обратном направлении (катодом к положительному полюсу источника питания, анодом - к отрицательному). При таком включении напряжение на стабилитроне (напряжение стабилизации Ucт) мало зависит от тока через стабилитрон (тока стабилизации 1ст). Эти две величины и являются основными параметрами стабилитронов. Так, для стабилитрона КС156А напряжение стабилизации (номинальное) составляет 5,6 В (при номинальном токе стабилизации 10 мА), а ток стабилизации может быть в пределах 3...50 мА. Если нагрузка потребляет больший ток, применяют усилитель тока. В простейшем случае это может быть транзистор, включенный по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).
Схема такого источника питания показана на рис. 101. Напряжение сети, пониженное трансформатором Т1 до 8...10 В, выпрямляется диодным мостом VD1 и подается на стабилизатор напряжения, в котором транзистор VT1 включен эмиттерным
повторителем. Напряжение на выходе стабилизатора на 0,5...1 В меньше напряжения на стабилитроне VD2. По аналогичной схеме можно строить стабилизаторы и на другие значения питающих напряжений, следует лишь для каждого случая подобрать соответствующие стабилитрон и сопротивление резистора R1. Максимальный выходной ток стабилизатора Iвыхmах зависит от используемого стабилитрона и статического коэффициента передачи тока транзистора h21э и может быть найден по формуле
Iвых max=h21эIст max.
Стабилизатор напряжения, собранный по схеме на рис. 101, обладает сравнительно невысокими эксплуатационными характеристиками, но тем не менее может успешно применяться для питания многих радиотехнических устройств (см., например, схемы на рис. 17, 20, 39 и др.).
На рис. 102 приведена схема еще одного стабилизатора напряжения, но с использованием ОУ. Такие усилители имеют очень большой коэффициент усиления (несколько сотен и даже тысяч) и два входа - инвертирующий (на графическом изображении ОУ обозначают кружком) и неинвертирующий. Сигналы, поданные на эти входы, суммируются с учетом их знака и многократно
усиливаются. Характерная особенность стабилизатора напряжения с применением ОУ заключается в том, что в нем выходное напряжение сравнивается с образцовым (опорным) и таким образом поддерживается на заданном) уровне,
Рассмотрим по схеме более подробно работу такого стабилизатора напряжения. Выходное напряжение с делителя R2R3 подается на инвертирующий вход ОУ, а образцовое напряжение, снимаемое со стабилитрона VD1, - на неинвертирующий вход. При небольшом изменении напряжения на выходе стабилизатора на инвертирующем входе (вывод 9) появляется сигнал рассогласования, который многократно усиливается и изменяет напряжение на регулирующем транзисторе VT1 таким образом, что напряжение на выходе стабилизатора практически не изменяется. Этот процесс длится всего несколько микросекунд.
Напряжение на выходе стабилизатора можно определить по упрощенной формуле
Uвыx=Uст(R2+R3)/R3.
Изменяя в небольших пределах сопротивления резисторов R2 и R3, можно изменять выходное напряжение стабилизатора. При этом, как видно из формулы, выходное напряжение не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона.
Резистор R4 ограничивает выходной ток ОУ, конденсатор С1 предотвращает возбуждение устройства. Коэффициент стабилизации этого источника напряжения составляет 200...400, а выходное сопротивление - несколько миллиом. Максимальный выходной ток равен произведению предельно допустимого выходного тока ОУ на коэффициент h21э транзистора VT1 и для данной схемы составляет 500... 600 мА. Если же для питания устройства требуется больший ток, чем может обеспечить один регулирующий транзистор, следует применять составной транзистор (например, типов КТ972, КТ825, КТ827). При отсутствии составного транзистора в одном корпусе его можно выполнить из двух обычных транзисторов одной или разных структур.
На рис. 103,а показана схема составного транзистора, образованного транзисторами одной структуры (n-р-n), на рис. 103, б -образованного транзисторами разных структур (VT1 - р-n-р, VT2 -n-р-n). Резистор R1 обеспечивает нормальную работу стабилизатора при высоких температурах окружающей среды и малых токах нагрузки. Ток, протекающий через этот резистор, должен быть значительно больше обратного тока коллекторного перехода транзистора VT1 при наибольшей рабочей температуре. Если ток через регулирующий транзистор VT1 превышает 70... 100 мА, транзистор
следует устанавливать на радиатор. Площадь радиатора можно приближенно определить по формуле (для температуры окружающего воздуха около 20°С)
S=25Uкэ*Iнагр,
где S - площадь поверхности охлаждения радиатора, см^2; Uкэ -напряжение между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора, В; Iнагр - ток нагрузки стабилизатора, А.
На рис. 104 приведена схема еще одного варианта стабилизатора напряжения. В нем применена интегральная микросхема К142ЕН1Б, представляющая собой стабилизатор напряжения. Вот ее основные параметры: диапазон изменения входного напряжения 9...20 В;
пределы установки выходного напряжения 3...12 В; максимальный ток нагрузки 0,15 А; минимальное падение напряжения на регули-
рующем элементе 4 В. В микросхеме предусмотрена защита от перегрузок по току и коротких замыкании.
Для указанных на схеме рис. 104 транзисторов и номиналов резисторов выходное напряжение составляет 5 В, а ток срабатывания защитного устройства около 1 А (при уменьшении тока через нагрузку устройство автоматически принимает исходное состояние). При необходимости ток ограничения Ioгр может быть изменен подбором резистора R3. Его сопротивление рассчитывают по формуле
R3=0,5/Iorp,
где R3 - в омах;Ioгp - в амперах.
Выходное напряжение устанавливают подбором резистора R6.
В микросхеме предусмотрен вход выключения стабилизатора. При подаче на вывод 9 через резистор R5 напряжения 2...3 В напряжение на выходе становится равным нулю, Удобно управлять включением и выключением стабилизатора с помощью цифровых микросхем, имеющих питание 5 В.
В настоящее время промышленность выпускает интегральные стабилизаторы с фиксированным напряжением, содержащие в одном
корпусе регулирующий транзистор и узлы управления им (микросхемы серий К142, КР142). Схема стабилизатора напряжением 5 В представлена на рис. 105. Микросхема КР142ЕН5А содержит узел защиты от перегрузки по току. Максимальное значение тока для этой микросхемы составляет около 3 А.
На микросхеме К142ЕНЗА можно выполнить стабилизированный источник напряжения, регулируемого в пределах от 3 до 30 В при токе нагрузки до 1 А. Схема представлена на рис. 106. Выходное напряжение регулируется резистором R4 и может быть вычислено по формуле Uвыx=2,6(R4+R5)/R5, В. Суммарное сопротивление резисторов R4 и R5 не должно превышать 20 кОм. Ток ограничения lorp устанавливают резистором R3, сопротивление которого может быть вычислено по приближенной формуле R3=0,6/Ioгp, где сопротивление берут в омах, а ток - в амперах. В стабилизаторе предусмотрена возможность отключения внешним сигналом. Для этого на резистор R1 подают положительное напряжение, которое должно обеспечивать ток через резистор R1 не более ЗмА. В стабилизаторе
предусмотрена также тепловая защита (при нагревании корпуса микросхемы до определенной температуры выходное напряжение уменьшается до нуля). Температура отключения определяется сопротивлением резистора R2.
Микросхема DA1 должна быть установлена на радиаторе, обеспечивающем требуемую рассеиваемую мощность. Она не должна превышать 6 Вт. Для обеспечения этого условия во всем диапазоне регулируемого выходного напряжения следует применять ступенчатое регулирование выходного напряжения.
Если требуется увеличить допустимый выходной ток, можно применить усилитель тока на транзисторе.
Фрагмент схемы приведен на рис. 107. Резистор R1 подбирают исходя из требуемого тока ограничения (он выполняет ту же функцию, что и резистор R3 в предыдущей схеме). Ток нагрузки может достигать 5...10 А.
Иногда возникает необходимость получить двуполярное напряжение от однополярного источника (например, для питания операционных усилителей). В этом случае можно воспользоваться приставкой, схема которой представлена на рис. 108.
Устройство представляет собой усилитель постоянного тока, выполненный на операционном усилителе DA1 и транзисторах VT1 VT2 включенных по схеме эмиттерного повторителя. Работает устройство следующим образом. Задающее напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ (вывод 3) с делителя R1-R3 через резистор R4. На инвертирующий вход ОУ (вывод 2) подается сигнал с выхода эмиттерного повторителя (сигнал отрицательной обратной связи). Допустим, что по какой-либо причине напряжение на выходе эмиттерного повторителя стало больше, чем напряжение на движке переменного резистора R2. Тогда на входах ОУ будет действовать результирующий отрицательный сигнал. Напряжение на выходе ОУ при этом уменьшится, что вызовет приоткрывание транзистора VT2 и призакрывание транзистора VT1. В результате напряжение на выходе снизится. Поскольку коэффициент усиления ОУ составляет несколько десятков тысяч (для данного типа более 30 000) то в процессе работы напряжения на входах ОУ будут равны, следовательно, напряжение на выходе эмиттерного повторителя полностью определяется положением движка переменного резистора Операционный усилитель К140УД7 можно заменить на К140УД8_ К140УД14 К140УД20, К140УД9. Выбор транзисторов VT1, VI2 определяется максимальным током, который необходимо получить от источника. Заметим, что через эти транзисторы протекает ток, равный разности токов нагрузок, подключенных к положительному и отрицательному выходам. Исходя из этого следует выбирать и радиаторы для транзисторов. Кроме того, ток через транзисторы не может быть больше максимального выходного тока ОУ, умноженного на статический коэффициент передачи тока транзисторов h21э. В данном случае он может достигать 200 мА. При необходимости получения больших токов следует применять составные транзисторы.
Рис. 101 Схема стабилизированного источника питания
Рис. 102 Схема стабилизатора напряжения с использованием операционного усилителя
Рис. 103 Составной транзистор из транзисторов структуры n-p-n и из транзисторов разных структур
Рис. 104 Схема источника питания с использованием микросхемы - стабилизатора напряжения
Рис. 105 Схема стабилизатора с фиксированным напряжением
Рис. 106 Схема регулируемого источника напряжения на базе интегрального стабилизатора К142ЕН3А
Рис. 108 Схема приставки для получения двуполярного напряжения из однополярного
5.4 Двуполярные блоки питания.
5.4 Двуполярные блоки питания
Для питания многих радиотехнических устройств требуется стабилизированный источник постоянного напряжения. Ниже будут приведены описания двух вариантов такого блока питания.
Схема первого варианта двуполярного блока питания показана на рис 109. Напряжения на обоих его плечах регулируются независимо в пределах 0... 12 В. Максимальный выходной ток блока питания равен 1 А. Коэффициент стабилизации по выходному напряжению не менее 2000, выходное сопротивление не более 0,01 Ом.
Принцип действия этого стабилизатора напряжения аналогичен рассмотренному выше, но имеется и существенное отличие. Оно
состоит в том, что оба ОУ питаются двуполярным напряжением. снимаемым с параметрических стабилизаторов VD2VD3R1 и VD4VD5R10. Благодаря такому включению ОУ напряжение на его выходе может изменяться от максимального отрицательного до максимального положительного значения. Это позволило обеспечить регулирование выходного напряжения обеих полярностей, начиная от 0 В. При питании ОУ однополярным напряжением, как это сделано в предыдущей схеме, минимальное значение выходного напряжения составит 2...4 В, а это ограничит возможности стабилизатора при наладке различных устройств.
Неинвертирующие входы обоих ОУ (выводы 5 микросхем) через резисторы R4 и R 11 соединены с общим проводом, поэтому на этих входах ОУ- нулевой потенциал. В процессе работы такой же потенциал поддерживается и на инвертирующих входах ОУ (выводы 4 микросхемы); напряжение на них подается через резисторы R2 и R13 с делителей напряжения R3R7 и R12R18. Изменением сопротивлений резисторов R7 и R 18 можно изменять выходное напряжение от минимального (движки резисторов в крайнем левом по схеме положении) до максимального (движки резисторов в крайнем правом по схеме положении).
Элементы VT3, R8, R9 и VT6, R16, R17 образуют систему защиты стабилизаторов от перегрузок по току. Рассмотрим работу системы защиты на примере верхнего (по схеме) плеча стабилизатора. Выходной ток стабилизатора, протекая через резистор R9, создает на нем падение напряжения. В зависимости от положения движка подстроечного резистора R8 при определенном значении выходного тока начинает открываться транзистор VT3, уменьшая напряжение между выходным плюсовым проводом и инвертирующим входом ОУ DA1. При этом составной транзистор VT1VT2 начинает закрываться, ограничивая тем самым выходной ток стабилизатора на определенном уровне.
При налаживании различных устройств, питаемых от такого блока, можно устанавливать различные токи ограничения.
Блок питания не боится и коротких замыканий, т. к. выходной ток каждого плеча также ограничивается системами защиты. Однако при длительном (несколько минут) коротком замыкании из-за перегрева могут выйти из строя регулирующие транзисторы VT2 и VT5.
Транзисторы VT2 и VT5 устанавливают на теплоотводящих радиаторах с охлаждающей поверхностью не менее 200 см^2. Помимо обозначенных на схеме транзисторов можно применять транзисторы типов КТ815, КТ817, КТ819, КТ803, КТ808, КТ903 с любыми буквенными индексами; в качестве VT4 можно рекомендовать КТ814, КТ816, КТ502, МП25, МП26 с любыми буквами; в качествеVT1 - КТ608, КТ602, КТ630, КТ503 с любыми буквами; VT3 и VT6 - любого типа на допустимое напряжение между коллектором и эмиттером не менее 25 В соответствующей структуры. Оксидные конденсаторы С1, СЗ, С4, С6 - К50-16; С2, С5 - типов КТ-2а, К10-7в;
подстроечные резисторы R8 и Р17-типов СП5-2, переменные R7 и R 18 - проволочные - типа ППБ-2А (можно применять и обычные углеродистые типов СП-1, СП-2, но срок их службы будет меньше). Номинальное значение сопротивления переменных резисторов может составлять 1...10 кОм, надо лишь помнить, что номиналы резисторов R3 и R7, R12 и R18 должны быть одинаковыми. Постоянные резисторы - типа МЛТ. Трансформатор Т1 намотан на ленточном магнитопроводе ШЛ 16х32. Обмотка I содержит 1320 витков провода ПЭВ-1 0,23, обмотка II - 210 витков провода ПЭВ-1 0,62 с отводом от середины.
Двуполярный блок питания собран на печатной плате (рис. 110). Налаживание двуполярного блока питания состоит в подборе резисторов R3 и R12 таким образом, чтобы при крайнем правом (по схеме) положении движков переменных резисторов R7 и R18 напряжения на выходах обоих плеч были бы максимальными и
составляли 12...13 В. Подстроечными резисторами R8 и R17 устанавливают необходимый ток ограничения.
Второй вариант двуполярного блока питания (рис. 111) отличается от рассмотренного выше более широким диапазоном выходных напряжений и токов нагрузки, а также большим КПД.
Напряжение каждого плеча регулируется в пределах 0... 35 В. Ток нагрузки может достигать 3 А. Коэффициент стабилизации по входному напряжению не менее 2000, выходное сопротивление не более 0,005 Ом. Амплитуда пульсации при максимальном токе нагрузки не превышает 5 мВ.
Принцип действия этого стабилизатора аналогичен рассмотренному выше, но имеются и отличия. Во-первых, использование усилителей напряжения на транзисторах VT1 и VT5 позволило получить выходное напряжение источника значительно большее, чем допустимое выходное напряжение операционного усилителя К553УД2 (оно составляет 10 В). Во-вторых, благодаря переключению выводов вторичных обмоток трансформатора в зависимости от значения выходного напряжения удалось уменьшить потери мощности на регулирующих транзисторах VT2, VT6, снизить их нагрев и повысить КПД устройства. Рассмотрим некоторые особенности источника питания. На транзисторах VT4 и VT8 выполнены стабилизаторы тока. Они обеспечивают протекание неизменного тока значением 10 мА через регулирующие транзисторы VT2 и VT6 при отсутствии внешней нагрузки; этот ток не зависит от выходного напряжения. Постоянная нагрузка на выходе стабилизатора предотвращает его возбуждение на высоких частотах.
На микросхемах DD1-DD3 выполнены шесть триггеров Шмитта, задающие пороги срабатывания электромагнитных реле К1-К6. Рассмотрим работу узла переключения обмоток на примере верхнего (по схеме) плеча источника питания. Основой узла являются три триггера Шмитта, выполненные на логических элементах микросхемы DD1. Порог срабатывания каждого собственно триггера при повышении напряжения составляет около 7 В, а гистерезис - около 1...1,5 В. Если напряжение на выходе 1 источника превышает порог срабатывания триггера, то срабатывают электромагнитные реле К1-КЗ. Реле К1 срабатывает при повышении выходного напряжения до 9 В, К2 - 18 В, КЗ - 27 В. Пороги срабатывания триггеров Шмитта подстраиваются с помощью делителей R23R24, R28R29, R33R34. Контакты реле К 1.1-КЗ. 1 подключают к мостовому выпрямителю VD1 большую или меньшую часть обмотки II трансформатора Т1. При этом падение напряжения на регулирующем транзисторе VT2 не превышает 14 В, а мощность - 40 Вт. Нетрудно подсчитать, что при отсутствии такого узла переключения выводов обмотки максимальное напряжение на регулирующем транзисторе достигало бы 35...40 В при мощности до 120 Вт. Таким образом, значительно снижены тепловые потери на регулирующих транзисторах, что улучшило тепловой режим источника. При необходимости эти потери можно
снизить еще, увеличив число триггеров Шмитта в каждом плече стабилизатора до 5-7.
Зависимость падения напряжения на регулирующем транзисторе Upт от выходного напряжения Uвых (регулировочная характеристика) показана на рис. 112.
Регулирующий узел нижнего (по схеме) .плеча источника работает аналогично, только для управления реле К4-К6 использованы транзисторы проводимости р-п-р типа.
Напряжение питания операционных усилителей, реле К1-К6 и цепей эталонного напряжения снимают с маломощного двуполярного стабилизированного .выпрямителя, выполненного на транзисторах VT10 и VT12. Поскольку характеристики этого стабилизатора (в частности, уровень пульсации) во многом определяют параметры источника питания в целом, стабилитроны VD8, VD9 питаются от стабилизаторов тока, выполненных на полевых транзисторах VT9 и VT11.
Составные транзисторы VT2, VT6 можно заменить парами транзисторов соответствующей проводимости. На рис. 113 показана схема аналога составного транзистора VT2. Аналогично заменяют и составной транзистор VT6, но используют транзисторы р-п-р типа (например, КТ816Г и КТ818Г). Конденсатор С1 может оказаться необходимым для устранения высокочастотного самовозбуждения.
Оксидные конденсаторы - типа К50-16 или К50-6, остальные -КМ-6, К10-23, К10-7В. Подстроечные резисторы R9, R19 - СП5-2, резисторы R8, R20 - С5-16МВ. Реле К1-К6 - РЭС-10 (паспорт РС4.524.302) или РЭС-34 (паспорт РС4.524.372). Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ШЛМ40 х 50 (типовая мощность 270 Вт). Обмотка I содержит 525 витков провода ПЭВ-2 0,85; обмотки II и III - по 95 витков провода ПЭВ-2 1,32, отводы сделаны от 31, 54, 75-го витков, считая от верхних (по схеме) выводов обмоток; обмотка IV содержит 82 витка провода ПЭВ-2 0,31 с отводом от середины.
Транзисторы VT2 и VT6 установлены на радиаторы с охлаждающей поверхностью не менее 1000 см^2 каждый.
Налаживание источника питания начинают с установки тока, протекающего через светодиоды HL1, HL2, который должен составлять около 10 мА. Этого добиваются подборкой резисторов Rll, R22, при этом выходное напряжение может составлять 5...35 В. Затем производят настройку порогов срабатывания триггеров Шмитта. Переменным резистором Rl (R15) устанавливают выходное напряжение равным нулю, а затем его плавно увеличивают. Реле К1-КЗ должны срабатывать при напряжениях на выходе 1 источника 9,18 и 27 В соответственно. Добиваются этого подборкой резисторов R23, R28 и R33. Затем аналогично настраивают пороги срабатывания триггеров в другом плече источника. После этого, установив движки переменных резисторов Rl и R15 в верхнее (по схеме) положение, резисторами R3 и R14 устанавливают максимальное напряжение обоих плеч 35 В.
Желательно с помощью осциллографа проверить, не возбуждается ли источник питания, на высокой частоте. При наличии такого возбуждения следует подобрать конденсаторы С2, СЗ, С9, С10.
Поскольку выходное напряжение изменяют переменными резисторами, при установке напряжения к выходным зажимам следует подключать вольтметр. Если вместо переменных резисторов Rl, R15 применить магазин постоянных резисторов и переключатели типа
ПП10, имеющие оцифровку, выходное напряжение можно устанавливать переключателями без использования вольтметра.
При использовании трех переключателей шаг установки напряжения составит 0,1 В, что вполне достаточно для радиолюбительских целей. Схема показана на рис. 114. Общее сопротивление резисторов R1-R9, входящих в декады А1-АЗ, должно соответствовать сопротивлению переменных резисторов Rl и R15 и в данном случае равно примерно 10 ком. Поэтому сопротивления резисторов в декаде А1 составляют 3 кОм, в декаде А2 -
300 Ом, в декаде A3 - 30 Ом. При этом следует иметь в виду, что в декаде А1 используют только три резистора R1-R3, в декадах А2 и A3 - все девять резисторов.
Рис. 109 Схема двуполярного блока питания (первый вариант)
Рис. 110 Монтажная плата блока питания
Рис. 111а Схема двуполярного блока питания (второй вариант)
Рис. 111б Схема двуполярного блока питания (второй вариант)
Рис. 112 Регулировочная характеристика источника питания
Рис. 114 Схема узла дискретного изменения выходного напряжения
5.5 Зарядное устройство для гальванических элементов.
5.5 Зарядное устройство для гальванических элементов
Рассмотрим возможность многократного использования гальванических элементов и батарей. Как известно, наибольший эффект дает зарядка асимметричным током при соотношении зарядного и разрядного токов 10 : 1.
Схема зарядного устройства представлена на рис. 115. Генератор импульсов с регулируемой скважностью выполнен на логических элементах DD1.1-DD1.3. Частота следования импульсов около 100 Гц. На транзисторах VT1 и VT2 собран ключ, усиливающий импульсы генератора по току. Если на выходе логического элемента DD1.3 напряжение низкого уровня, транзисторы VT1, VT2 открыты, и через батарею, подключенную к гнездам XS1, протекает зарядный ток. При напряжении высокого уровня на выходе элемента DD1.3 оба транзистора закрыты и батарея GB1 разряжается через резистор R7. Переменным резистором R1 изменяют в небольших пределах соотношение длительностей открытого и закрытого состояний транзистора VT2, т. е. скважность импульсов асимметричного тока.
Микросхему К561ЛН2 можно заменить на К561ЛА7, К176ЛА7; транзистор VT1 - любой из серий КТ203, КТ361, КТ501, VT2 - любой из серий КТ815, КТ817, КТ3117, КТ608. Диоды VD1,VD2 - Д311, КД503, КД509, Д223 с любыми буквами.
Налаживание устройства состоит в подборке резисторов R6 и R7 по требуемым значениям зарядного и разрядного токов. Напряжение питания выбирают в пределах б... 15 В в соответствии с общим напряжением заряжаемых элементов. Зарядный ток выбирают исходя из (6...10)-часового режима заряда. Скважность импульсов
тока подбирают экспериментально - в зависимости от типа заряжаемых элементов.
Рис. 5.51 Принципиальная схема зарядного устройства для гальванических элементов
5.6 Генераторы импульсов.
5.6 Генераторы импульсов
Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц.
На рис. 116 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки SB1. На логических элементахDD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки SB1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 - напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке - наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.
На рис. 117 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор - цикл повторяется.
Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду.
Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых
эффектов. Его недостаток - необходимость использования конденсатора значительной емкости.
На рис. 118 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада.
Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15...17 В и токе 20...50 мА.
В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 119, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 - длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1...2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 - 10...15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303
При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора.
Схема приведена на рис. 120. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют галетным переключателем SA1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1...10 000 Гц.
На рис. 121 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью. Скважность, т. е. отношение периода следования импульсов к длительности напряжения высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.
Генератор, схема которого приведена на рис. 122, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 форми-
руются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение.
Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов.
Иногда возникает необходимость в построении генератора, который формирует число импульсов, соответствующее номеру нажатой кнопки.
Принципиальная схема устройства (первый вариант), реализующего такую возможность, приведена на рис. 123. Функционально оно включает генератор импульсов, счетчик и дешифратор. Генератор прямоугольных импульсов собран на логических элементах DD1.3 и DD1.4. Частота следования импульсов около 10 Гц. С выхода генератора импульсы поступают на вход двоично-десятичного счетчика, выполненного на микросхеме DD2. Четыре выхода счетчика соединены со входами микросхемы DD3, представляющей собой дешифратор на 4 входа и 16 выходов.
При подаче питающего напряжения на правых (по схеме) контактах всех пятнадцати кнопок SB I-SB 15 будет напряжение низкого уровня, обеспечиваемое наличием низкоомного резистора R5. Это напряжение подается на вход ждущего мультивибратора, выполненного на элементах DD1.1, DD1.2 и конденсаторе С1, и
гасящего импульсы дребезга контактов кнопок. На выходе ждущего мультивибратора - напряжение низкого уровня, поэтому генератор импульсов не работает. При нажатии одной из кнопок конденсатор С3 мгновенно заряжается через диод VD1 до напряжения высокого уровня, в результате чего на выводах 2 и 3 счетчика DD2 появляется напряжение низкого уровня, устанавливающее его в рабочее состояние. Одновременно через замкнутый контакт нажатой кнопки напряжение высокого уровня подается на вход ждущего мультивибратора, и импульсы генератора поступают на вход счетчика. При этом на выходах дешифратора последовательно появляется напряжение низкого уровня. Как только оно появится на выходе, с которым соединен контакт нажатой кнопки, подача импульсов на вход счетчика прекратится. С вывода 11 элемента DD1.4 будет снято число импульсов, соответствующее номеру нажатой кнопки. Если продолжать удерживать кнопку нажатой, то через некоторое время конденсатор СЗ разрядится через резистор R2, счетчик DD2 установится в нулевое состояние и генератор выдаст новую серию импульсов. До окончания серии импульсов кнопку отпускать нельзя.
В устройстве использованы резисторы МЛТ-0,25; оксидные конденсаторы - К50-6. Транзисторы VT1, VT2 могут быть серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ201, диод VD1 - серий Д7, Д9, Д311. Кнопки SB 1 -SB 15 - типов П2К, KM 1-1 и др.
Настройка числоимпульсного генератора заключается в установке подбором резистора R1 и конденсатора С2 требуемой частоты следования импульсов генератора, которая может быть в пределах от единиц герц до десятков килогерц. При частоте выше 100 Гц для выдачи полной серии импульсов требуется время не более 0,15 с, поэтому кнопку можно не удерживать пальцем - короткого нажатия ее вполне достаточно для формирования пачки импульсов.
На рис. 124 представлена схема еще одного числоимпульсного генератора (второй вариант), по принципу работы аналогичного описанному выше. Благодаря применению микросхем серии К176 схема генератора упростилась. Генератор формирует от 1 до 9 импульсов.
В двух описанных выше вариантах числоимпульсных генераторов необходимо удерживать кнопку нажатой до окончания серии импульсов, в противном случае на выход поступит неполная пачка импульсов. Это является недостатком. На рис. 125 приведена схема третьего варианта числоимпульсного генератора, в котором импульсы начинают вырабатываться после отпускания кнопки.
На микросхемах DD1, DD2 и диодах VD1-VD3 собран шифратор, преобразующий десятичное число в двоичный код. Сигналы с выходов шифратора подаются на входы D1, D2, D4, D8 микросхемы
DD4 (реверсивный счетчик) и на входы логического элемента 4ИЛИ-HE(DD3.1).
Рассмотрим работу генератора при нажатии кнопки SB3. Когда кнопка нажата, на выходах логических элементов DD1.1 и DD1.2 установится напряжение высокого уровня, а на выходах DD2.1, DD2.2 сохранится напряжение низкого уровня. На выходе логического элемента DD3.1 появится напряжение низкого уровня, которое через дифференцирующую цепь C1R11 поступит на вход С реверсивного счетчика DD4 и установит его в состояние 1100. При этом на выходе логического элемента DD3.2 установится напряжение низкого уровня, которое инвертируется логическим элементом DD5.1 и подготавливает к работе генератор на логических элементах DD5.2-DD5.4. После отпускания кнопки SB3 на выходе элемента DD3.1 появится напряжение высокого уровня, которое будет подано на выход 12 микросхемы DD5; начнет работать генератор. Импульсы с его выхода (вывод 11 микросхемы DD5) поступают на вход -1 реверсивного счетчика. При этом происходит уменьшение числа, записанного в счетчике, и на выходах 1, 2, 4, 8 счетчика последовательно появляются комбинации логических уровней 0100, 1000, 0000. При установке счетчика в состояние 0000 на выходе логического элемента DD3.2 установится напряжение высокого уровня, и генератор остановится. На выход поступит три импульса.
Частота импульсов генератора определяется элементами С2 и R 12 и может изменяться в широких пределах (от единиц герц до сотен килогерц).
В описанных здесь генераторах импульсов можно использовать резисторы МЛТ-0,25, конденсаторы К50-6, КМ-6. Транзисторы КТ315Б можно заменить транзисторами из серий КТ312, КТ315, КТ316, КТ503. Диоды - любые из серий Д7, Д9, Д311. Кнопки - типов П2К, КМ1 и др. Микросхемы могут быть серий К 133, К 134, К 136, К158, КР531, К555 для первого и третьего вариантов; К561 - для второго варианта.
Рис. 116 Схема формирователя одиночных импульсов
Рис. 119 Схема широкодиапазонного генератора импульсов
Рис. 121 Схема генератора импульсов с регулируемой скважностью
Рис. 122 Схема генератора пилообразных импульсов
Рис. 123 Схема числоимпульсного генератора (второй вариант)
Рис. 123 Схема числоимпульсного генератора (первый вариант)
Рис. 123 Схема числоимпульсного генератора (третий вариант)
5.7 Лабораторный трансформатор.
5.7 Лабораторный трансформатор
При разработке различных устройств возникает необходимость регулирования переменного сетевого напряжения. Если при этом допускается искажение синусоидальной формы напряжения, можно применять тринисторные регуляторы, о которых рассказывалось выше. Если же требуется синусоидальное напряжение, необходимо применять трансформатор. Удобным является лабораторный автотрансформатор (например, типа ЛАТР-2М), обмотка которого намотана на тороидальном магнитопроводе, а подвижный контакт скользит по торцевой поверхности обмотки (предварительно очищенной от изоляции).
Однако такие трансформаторы весьма дефицитны. Кроме того, надежность подвижного контакта со временем ухудшается. Гальва-
ническая связь с сетью выходных зажимов также не всегда допустима.
Устройство, схема которого представлена на рис. 126, позволяет изменять синусоидальное напряжение на нагрузке в пределах от 1 до 347 В ступенями через 1 В, при этом на поддиапазоне изменения напряжений 1...127 В гальваническая связь с сетью отсутствует. Допустимый выходной ток определяется наименьшим сечением провода обмотки из всех обмоток, участвую-
щих в образовании требуемого напряжения, при этом максимальная мощность не должна превышать 170 Вт.
Регулирование напряжения осуществляется в трех поддиапазонах, тот или иной диапазон выбирается переключателем SA8. В первом поддиапазоне в формировании выходного напряжения участвуют обмотки II-VIII трансформатора Т1. Напряжения обмоток имеют значения, равные степеням числа 2:2^0, 2^1,...,2^6. Таким образом, путем последовательного соединения требуемых обмоток можно получить любое напряжение от 1 до 127 В ступенями через 1 В. Соединение обмоток производится переключателями SA1-SA7. В показанном на схеме положении переключателей все обмотки выключены.
В положении "2" переключателя SA8 вторичные обмотки трансформатора включаются последовательно-встречно с первичной обмоткой, и их напряжения вычитаются. Следовательно, результирующее выходное напряжение может изменятся от 93 В (220 В - 127 В) , когда все вторичные обмотки выключены.
В положении "3" переключателя SA8 вторичные обмотки трансформатора соединяются последовательно согласно с первичной обмоткой, так что их напряжение, когда вторичные обмотки включены, составляет 220 В (220 В±0 В); максимальное выходное напряжение, когда в работу включены все вторичные обмотки, составляет 347 В (220 В+ 127 В).
Трансформатор Т1 выполнен на магнитофоне ШЛ25 х 40. Намоточные данные всех обмоток и максимальные токи представлены в табл. 4. Начала обмоток на принципиальной схеме обозначены
точками. Тип обмоточного провода - ПЭВ-2 (обмотки I, IV-VIII), ПБД (обмотки II-III).
Первой наматывают обмотку I, затем VIII, VII, ..., II. В качестве выключателя питания Q1, переключателей SA1-SA7 можно использовать тумблеры типа ТВ 1-4, ТВ2-1 или ТП1-2. Галетный переключатель SA8 - ПГК-ЗП6Н, причем для повышения надежности контакты объединены в два переключателя по три группы контактов в каждом. Внешний вид лабораторного трансформатора представлен на рис. 127.
Рис. 126 Схема лабораторного трансформатора
Рис. 127 Внешний вид лабораторного трансформатора
Таблица 4. Намоточные данные всех обмоток и максимальные токи
6. Отдельные узлы электронных устройств.
Глава 6. Отдельные узлы электронных устройств.
6.1 Счетные декады.
6.1 Счетные декады
В этом разделе приведены описания различных узлов электронных устройств, которые могут быть использованы при разработке разнообразных конструкций. Применение таких узлов позволит упростить разработку приборов и сократить требующееся на это время.
На рис. 128 показаны схемы трех декад с использованием в них вакуумных люминесцентных индикаторов ИВ-3, ИВ-4, ИВ-6. В декаде по схеме рис. 128,а работают десятичный дешифратор К155ИД1 и дешифратор, выполненный на диодах VD1-VD2. В декаде по схеме рис. 128,б,в использована микросхема К176ИЕ4, представляющая собой двоичный счетчик, и дешифратор двоичного кода в код семисегментного индикатора. Триггеры микросхем К176ИЕ4 декад устанавливают в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня на вход R, а переключаются триггеры спадом положительных импульсов на входе С. На выходах a-g микросхемы формируются сигналы управления семисегментным индикатором. При подаче напряжения низкого уровня на вход S состояние декады определяется напряжением высокого уровня на выходах a-g; при поступлении же на вход 5 напряжения высокого уровня состояние декады определяется напряжением низкого уровня. Такое переключение полярности сигналов расширяет область применения микросхем.
В декадах по рис. 128,6 и в используются транзисторы разной структуры. В первой из них могут работать транзисторы КТ315 (Г-Е, И), КТ503, КТ608 (с любыми буквенными индексами), во второй -КТ208 (кроме букв А-В), КТ209Г (Д-Ж, И-М), КТ3107А (Б-Д, И, К).
Аноды люминесцентного индикатора можно подключать непосредственно к выходам микросхемы К176ИЕ4, как показано на рис. 117,г, однако при этом яркость их свечения ухудшится. Способ подключения люминесцентного индикатора к дешифратору К514ИД1 показан на рис. 128,д. При этом напряжение 10 В на анодах индикатора получается в результате соединения одного из выходов накала (он одновременно служит и катодом) с источником питания -5 В. На рис. 128,е приведен пример использования в
качестве высоковольтных ключей инверторов микросхемы К155ЛНЗ, рассчитанных на переключение напряжений до 30 В.
На рис. 129 показаны схемы вариантов счетчиков с индикацией состояния светодиодными индикаторами. Дешифратор К514ИД1 (рис. 129,а) предназначен для работы с индикаторами, имеющими общий катод; дешифратор К514ИД2 (рис. 129,6) управляет индикаторами с общим анодом. В первом случае максимально допустимый выходной ток микросхемы равен 7,5 мА, во втором - 22 мА.
Варианты использования микросхемы К176ИЕ4 для совместной работы со светодиодными индикаторами показаны на рис. 129, в-д. К выходам микросхемы К176ИЕ4 счетчика по схеме рис. 129, д можно подключить индикаторы с током потребления на каждый сегмент не более 2...3 мА.
6.2 Счетчик импульсов с динамической индикацией.
6.2 Счетчик импульсов с динамической индикацией
Цифровые счетчики импульсов получили широкое распространение при конструировании цифровых измерительных приборов, дисплеев, электронных часов, электронных игр и т. д.
Предлагаемое устройство представляет собой 4-разрядный счетчик импульсов, работающий по методу динамической индикации, когда один и тот же дешифратор с транзисторными ключами используется для дешифрации состояний четырех декадных счетчиков и для управления четырьмя газоразрядными индикаторами.
Использование метода динамической индикации позволяет применять один и тот же узел счетчика (как правило - дешифратор) для работы в нескольких разрядах счетчика. Это дает возможность уменьшить число используемых элементов. Метод динамической индикации удобен и тогда, когда индикаторные лампы должны находиться на удалении от самого устройства: в этом случае за счет использования динамической индикации сократится число жил в соединительном кабеле. На рис. 130 показана принципиальная схема счетчика, а на рис. 131 - схема включения индикаторов, входных цепей и цепей питания.
На микросхемах DD1-DD4 собраны декадные счетчики, соединенные последовательно друг с другом. Напомним, что микросхема К155ИЕ2 состоит из триггера со счетным входом С1 и счетчика с коэффициентом пересчета 5 со входом С2. Если выход триггера соединить со входом счетчика (т. е. соединить выводы 12 и 1 микросхемы), получится последовательный двоично-десятичный счетчик, работающий в коде 1-2-4-8. Временные эпюры напряжений такого счетчика показаны на рис. 132. Триггеры счетчиков устанавливают в состояние 0, одновременно подавая напряжение высокого
уровня на входы &R0. Полярность входных счетных импульсов, подаваемых на входы С1 и С2, положительная. Триггеры переключаются спадом входных импульсов. Максимальная частота импульсов, подаваемых на вход счетчика, составляет 10 МГц. Выходное сопротивление устройства, к которому может быть подключен вход 4-разрядного счетчика, должно быть не более 2 кОм. Напряжение высокого уровня в импульсе должно быть не менее 2,4 В, логического 0 - не более 0,4 В. Импульсы должны иметь крутые фронты.
На микросхеме DD10 собран генератор тактовых импульсов, частота следования которых составляет 2...3 кГц. Эти импульсы поступают на счетчик с коэффициентом пересчета 4, собранный на двух D-триггерах микросхемы DD1.1. D-триггер работает следующим образом: после прихода синхронизирующего импульса на вход С на выходе триггера устанавливается такой логический уровень, который был на входе D до прихода импульса. Если вход D соединить с инверсным выходом этого же триггера, то состояние триггера будет изменяться на противоположное после прихода каждого очередного импульса на вход С, т. е. триггер будет работать в счетном режиме. Соединив два таких счетных триггера
последовательно, получим счетчик с коэффициентом пересчета 4. Дешифратор состояний этого счетчика выполнен на микросхемах DD12, DD13. Во время работы генератора тактовых импульсов на выходах логических элементов DD12.2, DD12.4, DD13.2, DD13.4 появляется последовательно напряжение высокого уровня. Работа генератора на микросхеме DD10, счетчика на микросхеме DD11 и дешифратора на микросхемах DD12, DD13 поясняется рис. 133.
Микросхемы DD5-DD8 представляют собой логические элементы 2-2-2-3И-4ИЛИ-НЕ. Это означает, что если напряжение высокого уровня имеется на всех входах хотя бы одного из элементов И (например, на выводах 9, 10), то на выходе микросхемы будет напряжение низкого уровня. Подключением к выходам микросхем инверторов DD9.1-DD9.4 и объединением выводов 5, 6 в каждой из микросхем DD5-DD8 логическая операция 2-2-2-2И-4ИЛИ-НЕ
сведена к операции 2-2-2-2И-4ИЛИ, т. е. если хотя бы на одной паре входов одного из четырех элементов И есть напряжение высокого уровня, то на выходах микросхемы DD9 также будет напряжение высокого уровня.
Выходы инверторов DD9.1-DD9.4 подключены ко входам микросхемы DD14. Она представляет собой дешифратор, преобразующий двоичный код в десятичный, и высоковольтные транзисторные ключи, управляющие зажиганием цифр газоразрядных индикаторов HG1-HG4.
Выход логического элемента DD12.2 соединен со входами логических элементов И (выводы 10) каждой из микросхемDD5-DD8. Ко вторым входам этих логических элементов (выводы 9) подключены выходы микросхемы DD1. Когда на выходе DD12.2 имеется напряжение высокого уровня, уровни напряжения на
выходах элементов DD9.1, DD9.2, DD9.3, DD9.4 повторяют соответственно уровни на выходах 1, 2, 4, 8 микросхемы DD1, т. е. происходит считывание информации, записанной в счетчике DD1. Когда напряжение высокого уровня имеется на выходе элемента DD12.4, информация считывается из счетчика DD2 и т. д. Таким образом, за время выработки генератором четырех тактовых импульсов на входы дешифратора DD14 поочередно поступает информация о состоянии счетчиков DD1, DD2, DD3, DD4.
Когда напряжение высокого уровня имеется на выходе логического элемента DD12.2, то транзистор, подключенный к выводам 2, 13, 14 микросхемы DA1, закрыт, а остальные транзисторы открыты, на анодах ламп HG2-HG4 напряжение низкого уровня и они не светятся; светится только одна из цифр лампы HG1. При поступлении следующего импульса с генератора тактовых импульсов оказывается закрытым следующий транзистор микросхемы DA1, поэтому под напряжением находится только лампа HG2, и так далее при поступлении следующих импульсов. Таким образом, лампа HG1 индицирует состояние счетчика DD1, HG2- DD2, HG3 - DD3 и HG4 -DD4. Так как частота тактовых импульсов достаточно велика, создается впечатление непрерывной работы каждой газоразрядной лампы.
Устройство собрано на плате из гетинакса размерами 112 х 95 мм. Здесь расположены только те элементы, которые обозначены на рис. 130. Все соединения выполнены проводами. Конденсаторы Cl, C2 -типов КМ-6, КЛС, МБМ и др. В счетчике могут быть использованы аналогичные микросхемы серии К 133, имеющие такую же нумерацию всех выводов. Вместо микросхем DD5-DD10, DD12, DD13 могут быть использованы также аналоги из серий К 131, К 158, имеющие такую же нумерацию выводов. Вместо микросборки транзисторов DA1 можно применить транзисторы типа КТ605А или КТ940А. В качестве ламп HG1-HG4 можно использовать индикаторы ИН-1, ИН-8, ИН-12Б и ИН-18.
Если все детали исправны и монтаж выполнен без ошибок, устройство начинает работать сразу. В этом случае настройка его сводится к подбору резисторов R4-R7 таким образом, чтобы ток через анод каждой из ламп составлял 1...1,5 мА.
Для надежной работы необходимо, чтобы длина проводника, через который поступают импульсы на вход счетчика, не превышала 0,2...0,3 м.
Рис. 128а Схема счетных декад работающих на люминесцентные индикаторы (с дешифратором)
Рис. 128б Схема счетных декад работающих на люминесцентные индикаторы (К514ИД1, К514ИД2)
Рис. 129 Схемы счетных декад работающих на светодиодные индикаторы
Рис. 130а Принципиальная схема счетчика
Рис. 130б Принципиальная схема счетчика
Рис. 131 Съема включения индикатора, входных цепей и цепей питания
Рис. 132 Временные диаграммы напряжения двоично-десятичного счетчика
6.3 Электронный пускатель.
6.3 Электронный пускатель
Как известно, электромеханические пускатели широко применяют в электроаппаратуре для исключения повторного включения устройства после пропадания напряжения в сети. В таких пускателях коммутация нагрузки производится контактами реле. Значительно уменьшить обгорание контактов реле можно использованием тринисторов или симисторов, в этом случае контакты реле используются для управления слаботочной цепью тринистора.
Схема электронного пускателя представлена на рис. 134. Первичная обмотка трансформатора питания Т1 подключена к питаю-
щей сети через симистор VS1. Нормально замкнутые контакты реле К1 шунтируют катод и управляющий электрод симистора, что обеспечивает закрытое состояние последнего. При нажатии кнопки SB1 "Пуск" через ее замыкающие контакты напряжение поступает на обмотку I трансформатора. Срабатывает реле К1 и своими контактами соединяет управляющий электрод симистора с его анодом. При этом симистор открывается в начале каждого полупериода, подавая напряжение на трансформатор и в нагрузку и после отпускания кнопки.
Данные трансформатора Т1, диодного моста VD1, реле К1 и конденсатора С1 определяются параметрами нагрузки. Такой электронный пускатель можно использовать, например, в зарядном устройстве (см. рис. 76).
выходах элементов DD9.1, DD9.2, DD9.3, DD9.4 повторяют соответственно уровни на выходах 1, 2, 4, 8 микросхемы DD1, т. е. происходит считывание информации, записанной в счетчике DD1. Когда напряжение высокого уровня имеется на выходе элемента DD12.4, информация считывается из счетчика DD2 и т. д. Таким образом, за время выработки генератором четырех тактовых импульсов на входы дешифратора DD14 поочередно поступает информация о состоянии счетчиков DD1, DD2, DD3, DD4.
Когда напряжение высокого уровня имеется на выходе логического элемента DD12.2, то транзистор, подключенный к выводам 2, 13, 14 микросхемы DA1, закрыт, а остальные транзисторы открыты, на анодах ламп HG2-HG4 напряжение низкого уровня и они не светятся; светится только одна из цифр лампы HG1. При поступлении следующего импульса с генератора тактовых импульсов оказывается закрытым следующий транзистор микросхемы DA1, поэтому под напряжением находится только лампа HG2, и так далее 'при поступлении следующих импульсов. Таким образом, лампа HG1 индицирует состояние счетчика DD1, HG2- DD2, HG3 - DD3 и HG4 -DD4. Так как частота тактовых импульсов достаточно велика, создается впечатление непрерывной работы каждой газоразрядной лампы.
Устройство собрано на плате из гетинакса размерами 112 х 95 мм. Здесь расположены только те элементы, которые обозначены на рис. 130. Все соединения выполнены проводами. Конденсаторы С 1, С2 -типов КМ-6, КЛС, МБМ и др. В счетчике могут быть использованы аналогичные микросхемы серии К 133, имеющие такую же нумерацию всех выводов. Вместо микросхем DD5-DD10, DD12, DD13 могут быть использованы также аналоги из серий К 131, К 158, имеющие такую же нумерацию выводов. Вместо микросборки транзисторов DA1 можно применить транзисторы типа КТ605А или КТ940А. В качестве ламп HG1-HG4 можно использовать индикаторы ИН-1, ИН-8, ИН-12Б и ИН-18.
Рис. 132 Временные эпюры напряжений одного двоично-десятичного счетчика
Рис. 134 Принципиальная схема электронного пускателя
6.4 Узел выключения прибора.
6.4 Узел выключения прибора
Применение этого узла в различных электронных приборах с батарейным питанием позволяет избавиться от выключателя питания, заменив его пусковой кнопкой. Выключатель питания неудобен тем, что по окончании пользования прибором его необходимо выключать. Если же забыть это сделать, то батарея питания будет разряжаться. Особенно это относится к электронным играм, которыми пользуются дети. Данный узел позволяет включать прибор нажатием .кнопки, выключение его осуществляется автоматически.
Схема узла выключения прибора представлена на рис. 135.
При замыкании контактов кнопки SB 1 "Пуск" питание от батареи GB1 поступает к цепям питания прибора и микросхемы DD1, на двух логических элементах которой выполнен RS-триггер. Поскольку конденсатор С1 в первый момент разряжен, на выводе 5 микросхемы DD1 действует напряжение низкого уровня, и триггер устанавливается в состояние, соответствующее напряжению низкого уровня на выходе логического элемента DD1.1. Открывается транзистор VT1 и в этом состоянии остается и после отпускания кнопки SB1.
Выключение прибора осуществляется подачей напряжения низкого уровня на вывод 1 микросхемы DD1. Это может быть сигнал реле времени или сигнал с какого-либо счетчика, используемого в приборе.
Если питание прибора осуществляется от батареи напряжением 9 В, то в качестве микросхемы DD1 целесообразно использовать микросхемы серий К176, К561 (например, К176ЛА7).
Рис. 135 Схема узла выключения прибора
7.Новые технические решения.
Глава 7. Новые технические решения.
7.1 Цифровой измеритель заряда.
7.1 Цифровой измеритель заряда
Одним из наиболее распространенных способов определения момента окончания зарядки аккумулятора является истечение заранее известного времени зарядки неизменным током (так называемая зарядка по времени). При зарядке по времени предполагается, что ток в процессе зарядки не изменяется. Однако в действительности в процессе зарядки ток изменяется из-за влияния различных дестабилизирующих воздействий: нестабильности питающего напряжения, увеличения напряжения на зажимах батареи и других внешних факторов. Поскольку внутреннее сопротивление аккумуляторов весьма невелико, даже небольшое изменение напряжения питающей сети может вызвать значительное изменение зарядного тока. Для поддержания зарядного тока на неизменном уровне можно использовать стабилизатор тока, однако это значительно усложняет конструкцию зарядного устройства и снижает его коэффициент полезного действия. Зарядные устройства промышленного изготовления для автомобильных аккумуляторов не обеспечивают стабилизацию величины зарядного тока.
Известно, что для полной зарядки аккумулятора ему необходимо сообщить определенный электрический заряд (количество электричества), равный произведению времени зарядки на средний за все время зарядки ток. В таком случае момент окончания зарядки можно определять не истечением определенного времени, а величиной сообщенного аккумулятору заряда. При этом изменения тока в процессе зарядки не повлияют на величину сообщенного заряда, а лишь приведут к увеличению или уменьшению времени зарядки.
Необходимость измерения заряда возникает и в других случаях. Так, проводя тренировочную разрядку аккумуляторов, полезно знать емкость, которая будет ими отдана при разрядке до минимально допустимого напряжения. При проведении различных эле-
ктрохимических процессов (например, гальванопластики) также возникает необходимость измерения заряда, прошедшего через раствор.
Для реализации указанных целей (т.е. для измерений заряда, прошедшего через измерительную цепь в условиях нестабильного тока) и было создано описываемое ниже устройство.
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 136. Основой устройства является преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), выполненный на микросхеме DA1. Напряжение на вход ПНЧ поступает с токоизмерительных резисторов Rl, R2 (в зависимости от выбранного тумблером SA1 предела измерения), поэтому напряжение на входе ПНЧ пропорционально току зарядки. Поскольку функция преобразования ПНЧ линейная, частота на выходе ПНЧ прямо пропорциональна току зарядки.
На работе интегрального преобразователя КР1108ПП1 остановимся подробнее. Эта микросхема представляет собой преобразователь напряжения в частоту интегрирующего типа. Он может преобразовывать положительные и отрицательные уровни напряжения величиною до 10 В в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых прямо пропорциональна входному напряжению и определяется номиналами конденсаторов С1, С3 и резисторов R4, R5. Расчет требуемого коэффициента преобразования будет приведен ниже.
Импульсы напряжения с выхода ПНЧ поступают на вход Z микросхемы DD1. Как известно, микросхема К176ИЕ12 представляет собой генератор частотой 32768 Гц (при подключении внешних времязадающих цепей), а также счетчики с коэффициентом деления 2^15=32768 (выходные импульсы снимаются с вывода 4) и с коэффициентом деления 60 (выходные импульсы снимаются с вывода 10). В примененном здесь схемном включении генератор не используется, а импульсы с выхода ПНЧ, поданные на вход Z (вывод 12 микросхемы DD1), поступают на первый триггер делителя. Частота импульсов, снимаемых с выхода последнего триггера делителя (вывод 10 микросхемы DD1), меньше частоты входных импульсов в 32768х60=1966080 раз. Коэффициент преобразования ПНЧ выбран таким, что при напряжении на входе ПНЧ 1 В импульсы на выходе счетчика М следуют с интервалом 0,1 часа, или 360 с. В зависимости от того, включены в измери-
тельную цепь оба резистора Rl, R2 или только резистор R2, один импульс на выходе счетчика соответствует прошедшему через измерительную цепь электрическому заряду соответственно 0,1 А-час или 1 А-час. Несложный расчет позволяет определить требуемый коэффициент преобразования ПНЧ: 1966080/360=5461 (Гц). Поскольку эта частота значительно, а именно в 50 раз, превышает частоту двухполупериодного выпрямителя сетевого напряжения, погрешность преобразования ПНЧ при измерении заряда, переносимого пульсирующим током, будет незначительной (что, кстати, было подтверждено экспериментально).
Для подсчета числа ампер-часов или десятых долей ампер-часов использован двухразрядный двоично-десятичный счетчик, выполненный на микросхемах DD2 и цифровых семисегментных люминесцентных индикаторах HG1. Счетчик первого разряда условно на схеме обозначен С1, а счетчик второго разряда — С2. Микросхема К176ИЕ4 представляет собой двоично-десятичный счетчик, совмещенный с дешифратором для преобразования кода счетчика в код семисегментного индикатора. Изменение состояния счетчика происходит по спадам входных импульсов, а установка в исходное состояние производится подачей напряжения высокого уровня на вход R. Сигнал переноса снимается с выхода Р.
Для задания момента отключения источника зарядного тока после протекания требуемого заряда использованы микросхемы DD3 и галетные переключатели SA3, имеющиеся в обоих счетчиках С 1 и С2. Микросхема К176ИЕ8 представляет собой преобразователь числа импульсов в позиционный десятичный код (т.е. счетчик-дешифратор). Ее первый счетный вход CN соединен с входом микросхемы DD2, изменение состояния триггеров происходит по спаду входных импульсов. На второй счетный вход СР для обеспечения требуемого режима работы подано напряжение высокого уровня. Установка в исходное состояние производится подачей напряжения высокого уровня на вход R. К выходам счетчика-дешифратора DD3 подключены контакты галетного переключателя SA3, а подвижный контакт этого переключателя соединен с одним из входов логического элемента 2И-НЕ DD4.1;
на второй вход этого элемента поступает сигнал с подвижного контакта галетного переключателя, работающего во втором разряде счетчика С2.
Для обеспечения режима измерения заряда необходимо с помощью галетных переключателей SA3 установить требуемое значение величины заряда, тумблером SA1 выбрать цену младшего разряда счетчика, контакты разъема XI включить в разрыв цепи нагрузки в соответствии со схемами, представленными на рис. 137, подать напряжение сети на контакты разъема Х2 и замкнуть контакты тумблера SA2 "Пуск". (На рис. 137 ИЗ — измеритель заряда, ИТ — источник тока или зарядное устройство). На схеме рис. 137,а показано включение устройства для измерения количества электричества в режиме зарядки аккумулятора или в режиме осуществления электрохимического процесса, а на рис. 137,6 — включение устройства для измерения количества электричества в режиме разрядки аккумулятора. При этом, если через контакты разъема XI потечет ток, на входе ПНЧ появится напряжение в диапазоне от 0 до 1 В, а на выходе ПНЧ — прямоугольные импульсы, частота следования которых прямо пропорциональна току через нагрузку.
Через некоторое время на выходах счетчиков DD3, соответствующих числу, заданному положением подвижных контактов галетных переключателей SA3, появится напряжение высокого уровня, на выходе логического элемента DD4.2 — также напряжение высокого уровня. Начнет работать генератор, выполненный на логических элементах DD4.3, DD4.4 (генерируемая им частота составляет около 2 кГц); звуковой излучатель BF1 подаст сигнал, указывающий на окончание протекания в цепи нагрузки требуе-
мого количества электричества. Одновременно откроется транзистор VT1 и сработает электромагнитное реле К1. контакты К 1.1 которого разомкнутся и обесточат цепь нагрузки. В таком состоянии устройство будет находиться до тех пор. пока его. не отключат от сети.
Измеритель заряда питается от двуполярного стабилизатора напряжения, выполненного на микросхемах DA2, DA3. Выходное стабилизированное напряжение каждой из этих микросхем составляет 9 В. Для понижения сетевого напряжения использован унифицированный трансформатор (серии ТПП), разработанный специально для питания аппаратуры на полупроводниках. Конденсаторы С6 — С10 защищают микросхемы устройства от помех и устанавливаются по одному около каждой из микросхем DD1 — DD3.
Электрод, символизирующий точку индикатора HG1 счетчика С1, соединен с выходом S2 микросхемы DD1. Частота импульсов на этом выходе в 120 раз больше частоты импульсов на выходе М этой микросхемы; при напряжении на входе ПНЧ 1 В точка индикатора зажигается с периодом примерно 3 с, индицируя протекание тока через цепь нагрузки. Чем больше ток, тем чаще зажигается индикаторная точка.
Нити накала люминесцентных индикаторов питаются от источника отрицательного напряжения -9 В (а не от источника +9 В). Это сделано для увеличения разности напряжений между анодами и катодом индикатора, что приводит к увеличению яркости индикатора. В данном устройстве люминесцентные индикаторы питаются пониженным напряжением (паспортное напряжение для них составляет 20... 30 В), однако благодаря этому аноды индикаторов можно подключать непосредственно к выходам счетчиков К176ИЕ4 без дополнительных транзисторных ключей.
О деталях устройства. Используемые микросхемы аналогов в других сериях не имеют, за исключением К176ЛА7, которую можно заменить на К561ЛА7. Цифровые индикаторы ИВ-3А можно заменить на ИВ-6, однако последние имеют большие габаритные размеры и ток нити накала, поэтому придется подобрать резистор R7. Транзистор VT1 — любой кремниевый маломощный структуры n-р-n. например, серий КТ312. КТ315, КТ503. КТ3117. Диодные мосты VD1.VD2 могут быть из серий КЦ402 — КЦ405 с любыми буквенными индексами. Диод VD3 — любой с током не
менее 30 мА и любым обратным напряжением (например, КД503, КД509, КД510, КД513, КД521, КД522 с любыми буквенными индексами). Конденсаторы С4, С11 — оксидные типа К50-16 или К50-35; С3 — К73-17, К73-24 (этот конденсатор должен иметь небольшой температурный коэффициент емкости, поскольку от него зависит стабильность коэффициента преобразования ПНЧ); остальные конденсаторы — любых типов (КМ-5, КМ-6, К 10-17, К10-23 и др.). Резистор R2 — С5-16В мощностью 10 Вт (его можно также изготовить самостоятельно, намотав провод высокого сопротивления на корпусе резистора типа ПЭВ, С5-16В любого номинала; подстроенный резистор R4 — многооборотный типа СП5-2; остальные резисторы — МЛТ, С2-23, С2-33, причем резистор R1 составлен из двух резисторов, соединенных параллельно (например, номиналами 1 Ом и 10 Ом). Реле К1 — импортное, типа Bestar BS902CS (его обмотка имеет сопротивление 500 Ом, контакты могут коммутировать постоянный и переменный токи до 10 А при напряжении 220 В. Отечественные реле, обладающие при малых (15 х 15 х 20 мм) габаритах такими же параметрами, автору неизвестны. Трансформатор ТПП232 может быть заменен на любой из ряда ТПП231 — ТПП235, при этом следует соединить вторичные обмотки таким образом, чтобы на диодные мосты VD1 и VD2 подавалось напряжение 12... 15 В. Самодельный трансформатор выполняют на ленточном магнитопроводе ШЛ 16х20. Обмотка I содержит 2400 витков провода ПЭВ-1 0,08, обмотки II и III — по 140 витков провода ПЭВ-1 0,25. Звуковой излучатель BF1 —пьезоэлектрический типа ЗП с любыми буквенными индексами. Тумблеры SA1 и SA2— типов П1Т, МТ1 или любые другие, рассчитанные на ток не менее 5 А, галетные переключатели SАЗ — типа МПН-1. Гнездо разъема XI — типа РД-1.
Измеритель заряда собран в пластмассовом корпусе (рис. 138) размером 200х65х180 мм, известном под названием "Конструкция радиолюбителя" (когда-то он был описан в журнале "Радио"). На передней панели корпуса, изготовленной из дюралюминия, установлены цифровые индикаторы, тумблеры и галетные переключатели; на задней стенке корпуса — гнездо разъема XI, держатель предохранителя FU1, а также вывод сетевого провода. Монтаж выполнен на двух платах из текстолита проводами. Размеры плат:
первой — 165х45 мм, она крепится с помощью втулок и винтов к
передней панели; второй — 190х130 мм, она крепится к днищу корпуса. На второй плате установлены элементы, относящиеся к блоку питания (Т1, VD1, VD2, DA2, DA3, С4, С5, С11, С12), а также элементы R1, R2, К1, BF1. Все остальные элементы (кроме XI, FU1), включая цифровые индикаторы, тумблеры и галетные переключатели, установлены на первой плате. Микросхемы стабилизаторов напряжения (DA1, DA2) установлены на радиаторах с охлаждающей поверхностью по 30...40 см^2 каждый.
Настраивают устройство следующим образом. Контакты разъема XI включают в разрыв цепи нагрузки и устанавливают ток равным 1 А. Контакты тумблера SA1 при этом должны находиться в указанном на схеме положении, а контакты тумблера SA2 — замкнуты. Подстраивая переменный резистор R4, устанавливают период следования импульсов на выводе 10 микросхемы DD1 равным 360 с. На этом настройку можно считать законченной.
Максимальный постоянный ток, который может протекать через контакты разъема XI (при замкнутых контактах тумблера SA1), не должен превышать 10 А. Если измеряемый ток имеет форму импульсов (например, при зарядке аккумулятора), то среднее значение тока не должно превышать б... 7 А — в противном случае резистор R2 может перегреться. Это объясняется тем, что отношение действующего значения тока (характеризующего тепловое действие тока) к среднему значению (характеризующему переносимый током заряд) для импульсных (прерывистых) токов больше, чем для постоянного тока или синусоидального. При разомкнутых контактах тумблера SA1 значение тока не должно превышать 1А.
Если в источнике постоянного тока отсутствует амперметр, его можно ввести в измеритель заряда, подключив магнитоэлектрический прибор между общим проводом и правым по схеме контактом разъема XI и подобрав к прибору последовательный шунт.
При необходимости измерять токи больше 10 А следует использовать стандартные шунты, выпускаемые промышленностью. В этом случае надобность в резисторах Rl, R2 отпадает, контакты К 1.1 также нельзя использовать при коммутации токов больше 10 А; клеммы выносного шунта следует соединить с левым по схеме выводом резистора R3 и общим проводом устройства. Освободившиеся контакты реле К1 можно использовать для управления мощным контактором, управляющим источником тока по цепи его сетевого питания либо по вторичной стороне.
Рис. 136 Принципиальная схема измерителя заряда
Рис. 137 Схема для включения устройства в режиме измерения заряда
Рис. 138 Внешний вид измерителя заряда
7.2 Стабилизатор сетевого напряжения.
7.2 Стабилизатор сетевого напряжения
Он предназначен для поддержания сетевого напряжения в заданных пределах и по своим функциям аналогичен устройству, схема которого была приведена на рис. 96. Данный стабилизатор, подобно вышеописанному и в отличие от феррорезонансных стабилизаторов, также не искажает форму напряжения и способен работать без нагрузки. Точность его несколько ниже, но зато он содержит силовой трансформатор меньших размеров, а подвижные элементы в конструкции отсутствуют. По сравнению с феррорезонансными стабилизаторами данное устройство имеет значительно меньшие массогабаритные показатели.
Схема стабилизатора представлена на рис. 139. Принцип действия устройства основан на включении последовательно с нагрузкой одной, двух или трех дополнительных обмоток трансформатора при отклонении сетевого напряжения от нормы. Если сетевое напряжение ниже необходимого, то дополнительные обмотки включаются синфазно с сетью, и напряжение на нагрузке становится больше сетевого; если же напряжение сети становится выше нормы, то обмотки включаются в противофазе с сетевым напряжением, приводя к уменьшению напряжения на нагрузке. Роль такого трансформатора выполняет Т1, а дополнительных обмоток — обмотки IV, V, VI.
На интегральных микросхемах DA3 — DA8 выполнены компараторы напряжения, которые срабатывают при отклонении сете-
вого напряжения от нормы. На инвертирующие входы компараторов поданы эталонные напряжения, снимаемые со стабилитрона VD3 и с резисторов R5 — R 10 делителя напряжения. На неинвертирующие входы компараторов через резисторы R 11 — R 16 поступает напряжение, по величине пропорциональное сетевому и снимаемое с движка подстроечного резистора R2. Датчиком напряжения сети является обмотка III трансформатора Т1, напряжение на которой (примерно 10 В) изменяется пропорционально сетевому. Оно выпрямляется диодным мостом VD2. пульсации сглаживаются П-образным RC-фильтром C4R1C5. Постоянная времени фильтра выбрана равной 1...2 с, что исключает срабаты-
вание компараторов от действия кратковременных всплесков напряжения.
Компараторы DA3 — DA8 настроены на срабатывание от уровней сетевого напряжения 250 В, 240 В, 230 В, 210 В, 200 В и 190 В соответственно. Если напряжение сети превышает указанные уровни, то на выходах (вывод 9) тех компараторов, для которых выполняется указанное условие, действует напряжение высокого логического уровня (уровня логической 1) — около 12В. Таким образом, разница уровней срабатывания компараторов составляет 10 В, или примерно 5 % сетевого напряжения. Уровни срабатывания компараторов DA5 и DA6 отличаются на 20 В. Это соответствует зоне регулирования 220 В±5%. Следует заметить, что государственными стандартами установлено допустимое сетевое напряжение 220 В +10%-15% (от 187 В до 242 В). Данный же стабилизатор, как видно, обеспечивает более высокую точность поддержания величины сетевого напряжения.
Все компараторы охвачены положительной обратной связью через резисторы R17 — R22. Это сделано для обеспечения небольшого гистерезиса (разницы между напряжениями срабатывания каждого компаратора при увеличении и уменьшении сетевого напряжения). Величина гистерезиса определяется соотношением номиналов резисторов R17 и R 11 для микросхемы DA3 и аналогичных пар резисторов для других компараторов. Эти резисторы подобраны таким образом, чтобы разница между напряжениями срабатывания и отпускания компараторов составляла 1,5...2 В. Если исключить положительную обратную связь, т.е. сделать нулевой гистерезис, то небольшие колебания сетевого напряжения (вызванные, например, включением и отключением бытовых приборов, а также иными помехами), будут приводить к частому срабатыванию компараторов и, соответственно, повышенному износу контактов электромагнитных реле, а также к дополнительным помехам в сети.
Таким образом, точность поддержания напряжения на нагрузке определяется разницей напряжения срабатывания разных компараторов и величиной гистерезиса и составляет около 12В.
Работа компараторов и электромагнитных реле при различных значениях напряжения сети иллюстрируется таблицей 4.
Из таблицы видно, что при изменении сетевого напряжения от 170 В до 270 В, т.е. на 23%, напряжение на нагрузке изменяется от 200 В до 240 В, т.е. всего лишь на 9%.
Несколько слов о других схемных решениях стабилизатора. Эталонное напряжение на инвертирующие входы компараторов подается с параметрического стабилизатора R4VD3, который, в свою очередь, питается от интегрального стабилизатора напряжения, выполненного на микросхеме DA2 (выходное напряжение +12 В). Стабилитроны серии Д818 обладают весьма малым температурным коэффициентом напряжения, что обеспечивает высокую точность поддержания эталонного напряжения в широком диапазоне температур. Этому же способствует и питание параметрического стабилизатора от стабилизированного источника напряжения. Питание обмоток реле К1 — К5 осуществляется от интегрального стабилизатора +12 В (микросхема DA1). Необходимость в отдельном стабилизаторе для питания реле вызвана тем, что следует максимально исключить взаимное влияние цепей питания компараторов, источника эталонного напряжения и цепей питания реле; в противном случае срабатывание реле и вызванное
этим изменение тока может привести к ложным срабатываниям компараторов.
Напряжение, пропорциональное сетевому, снимается с отдельной обмотки трансформатора Т1 (обмотка III). хотя его можно было бы снимать с обмотки II трансформатора. Необходимость использования отдельной обмотки объясняется желанием исключить влияние изменений тока. вызванных срабатыванием реле, на величину напряжения, которое с обмотки трансформатора после выпрямления поступает на неинвертирующие входы компараторов.
Логика работы компараторов DАЗ — DA8 и логических элементов микросхем DD1. DD2, а также работы электромагнитных реле К1 — К5 видна из таблицы 4 и потому в дополнительных разъяснениях не нуждается.
В устройстве можно в качестве компараторов использовать, помимо указанных на схеме, микросхемы К1401СА1 (каждая из них содержит четыре компаратора напряжения): интегральные стабилизаторы КР142ЕН8Б можно заменить 15-вольтовыми (с индексом "В"). В качестве диодных мостов VD1. VD2 можно также использовать приборы типов КЦ402 — КЦ405. КЦ409. КЦ410. КЦ412 с любыми буквенными индексами. Диоды VD4 — VD7, шунтирующие обмотки реле. могут быть любого типа с допустимым обратным напряжением более 15 В и прямым током более 100 мА. Оксидные конденсаторы — К50-16. К50-29 или К50-35; остальные— КМ-6. К10-17. К73-17. Все постоянные резисторы МЛТ, С2-23, С 1-12; подстроечные R2 и RIO — многооборотные СП5-2 или СП5-14. Резисторы R5 — R9 должны иметь допустимое отклонение сопротивлений от номинальных не хуже 1%; если же нет возможности найти резисторы с таким классом точности, их следует подобрать из группы резисторов указанного номинала, используя цифровой омметр. Реле К1 — К5 — зарубежного производства Bestar BS-902CS. Реле этого типономинала имеют обмотку сопротивлением 150 Ом, рассчитанную на рабочее напряжение 12 В, и контактную группу переключающего типа. рассчитанную на коммутацию напряжения 240 В при токе 15 А. Выключатель Q1 — тумблер типа ТВ 1-4, у которого все четыре пары контактов соединены параллельно. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ50х40. Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,9 и содержит 300 витков; обмотка II —21 виток провода ПЭВ-2 0,45;
обмотка III — 14 витков провода ПЭВ-2 0.45: обмотки IV, V. VI содержат по 14 витков провода ПБД 2.64. Удобно использовать стандартный трансформатор типа ОСМ1-0.63. у которого все обмотки, кроме первичной (она содержит 300 витков), удалены, а вторичные обмотки намотаны в соответствии с приведенными выше данными. При изготовлении трансформатора одноименные выводы обмоток I, IV, V, VI следует пометить (на схеме обозначены точками). Номинальная мощность такого трансформатора составляет 630 Вт.
Все элементы стабилизатора напряжения, кроме трансформатора Т1 и тумблера Q1, смонтированы на плате из стеклотекстолита. В авторском экземпляре монтаж выполнен проводами, хотя можно разработать и печатную плату. Микросхемы DA1 и DA2 установлены на радиаторах площадью соответственно около 100 см^2 и 30 см^2
Настройка стабилизатора состоит в установлении величины номинального напряжения на нагрузке, равного 220 В, и в подборке порогов срабатывания компараторов DA3 — DA8 равными 250 В, 240 В. 230 В, 210 В, 200 В и 190 В соответственно. Для настройки понадобятся два вольтметра, измеряющих переменное напряжение в диапазоне 300 В, и лабораторный автотрансформатор, напряжение на выходе которого можно изменять от 170 В до 270 В. Для индикации состояний компараторов желательно к каждому из них подключить последовательно соединенные резистор сопротивлением 10... 15 кОм и светодиод серии АЛ307 так, чтобы аноды диодов были соединены с выводами 9 микросхем компараторов. а свободные выводы резисторов — с общим проводом (т.е. так, как это сделано в простейшем логическом пробнике на рис. 8 этой книги). Разумеется, можно обойтись и вольтметром постоянного тока. с помощью которого измерять напряжения на выходах компараторов, но это менее удобно. К выходу лабораторного автотрансформатора подключают стабилизатор напряжения и первый вольтметр; к гнездам "Нагрузка" стабилизатора подключают второй вольтметр. Движки подстроечных резистора R2 и R 10 устанавливают в крайнее правое по схеме положение, а на выходе автотрансформатора устанавливают напряжение 190 В. При этом на выходах всех компараторов должен быть низкий логический уровень (светодиоды не светятся, а при определении уровня напряжения вольтметром постоянного тока он должен показывать не
более 1 В. Перемещая движок подстроечного резистора R2, добиваются срабатывания компаратора DA8, на выходе которого устанавливается напряжение высокого логического уровня (около 10...12 В). Затем, плавно увеличивая напряжение автотрансформатором до 250 В, добиваются срабатывания компаратора DA3, при этом наблюдают по загоранию светодиодов последовательное срабатывание компараторов DA7, DA6, DA5, DA4. В случае необходимости порог срабатывания этого компаратора подбирают регулировкой подстроечного резистора R10. После установки пределов срабатывания компараторов DA8 и DA3 проверяют пороги срабатывания остальных компараторов, которые должны быть равны указанным выше значениям. При необходимости всю настройку можно повторить.
К стабилизатору напряжения может быть подключена нагрузка мощностью до 3 кВт. Если точность поддержания выходного напряжения может быть ниже указанной, число вторичных обмоток трансформатора Т2 можно снизить до двух, а их напряжения увеличить с 10 В до 15 В. При этом, соответственно, число компараторов также уменьшится, а пороги их срабатывания следует установить соответственно напряжениям вторичных обмоток Т2.
Нельзя не сказать о возможности применения полупроводниковых ключей для коммутации вторичных обмоток трансформатора Т1 взамен контактов электромагнитных реле К1 — К5. Действительно, контакты электромагнитных реле имеют ограниченный срок службы, вызванный их износом, который тем больше, чем больше число срабатываний и чем больше коммутируемые токи. В этом смысле применение полупроводниковых элементов предпочтительнее. В данном случае можно применить симисторы. Однако следует заметить, что одна группа переключающих контактов реле может быть заменена двумя симисторами, т.е. в данном устройстве потребуется применить 10 симисторов. Кроме того, необходимо будет принять специальные меры, чтобы симисторы одной группы контактов не оказались одновременно в открытом состоянии — при этом будет замыкание вторичной обмотки трансформатора Т2 и выход из строя симисторов. Такая ситуация объясняется тем, что симистор после снятия напряжения с управляющего электрода не может закрыться раньше окончания полупериода сетевого напряжения, который составляет 10 мс. В
то же время другой симистор из этой пары откроется практически сразу после подачи на управляющий электрод управляющего напряжения, что может произойти в любой момент полупериода. Чтобы исключить одновременное открытое состояние двух симисторов, следует принять специальные меры — например, производить подачу и снятие напряжений с управляющих электродов симисторов только в начале полупериода. Это существенно усложнит схему управления. Кроме того, такой алгоритм коммутации не устранит полностью сквозные токи, поскольку симисторы коммутируют индуктивную нагрузку (трансформатор), способную накапливать электромагнитную энергию. Следовательно, для полного устранения сквозных токов алгоритм управления симисторами должен быть еще более сложным. Скорее всего, форма сетевого напряжения при этом будет значительно искажаться в моменты переключения ключей.
С учетом вышесказанного конструктору следует принять решение о предпочтительности использования электромагнитных реле или симисторов. Авторский экземпляр стабилизатора, выполненный по приведенной выше схеме, надежно работает уже более 1 года и питает нагрузку мощностью до 3 кВт.
Рис. 139 Принципиальная схема стабилизатора сетевого напряжения
Таблица 4. Работа компараторов и электромагнитных реле при различных значениях напряжениях сети
7.3 Охранное устройство на базе имитатора
7.3 Охранное устройство на базе имитатора
В последние годы значительно увеличилось число наших сограждан, желающих поживиться чужим имуществом. Особенно широко воровство распространилось в дачных кооперативах, где относительная простота попасть в чужой домик и непостоянное проживание в нем хозяев создают благоприятную почву для осуществления замыслов воришек. В литературе весьма широко представлены описания охранных устройств, рассказано о них и в данной книге. Все эти устройства объединяет то, что они срабатывают при проникновении или попытке проникновения злоумышленников на охраняемый объект. В то же время можно попытаться сделать дачный домик обитаемым в отсутствие хозяев и тем самым отбить охоту у похитителей и хулиганов позариться на чужую собственность. Автор в своем дачном домике проблему имитации присутствия решил путем периодического включения освещения и радиоприемника (магнитофона, телевизора). Вряд ли кто-то попытается проникнуть в чужое помещение, не убедив-
шись в отсутствии хозяев. А если в доме горит свет, слышны голоса, звучит музыка, вряд ли стоит испытывать судьбу и нарываться на неприятности. Данный имитатор жизнедеятельности целесообразно применять совместно с другим охранным устройством, реагирующим на проникновение на охраняемый объект.
Схема охранного устройства показана на рис. 140. Поскольку большинство несанкционированных проникновении в дачных кооперативах совершаются в темное время суток, устройство управляет включением нагрузок именно в это время. На микросхеме DD1 выполнен генератор импульсов с частотой следования 30 мин. Для этого использованы элементы собственно генератора микросхемы (выводы 12 -14) и счетчики-делители (выводы 5, 6, 7, 9, 10). На микросхемах DD2, DD3 выполнены два декадных счетчика. На микросхеме DD4 и фоторезисторе R3 собрано фотореле. Диоды VD3 — VD10 совместно с логическими элементами DD5.3, DD5.4 позволяют программировать время включения и выключения нагрузок, подключаемых к гнездам XS1, XS2. Нагрузки подключаются к сети с помощью симисторов VS1 и VS2, управляемых контактами электромагнитных реле К1 и К2. Источник питания микросхем и реле собран по традиционной схеме с гашением излишнего напряжения конденсатором, в нем задействованы элементы С4, R 11. VD1, VD2, С 5.
Допустим, что устройство подключено к сети и фоторезистор R3 освещен. При этом его сопротивление относительно невелико, и в точке соединения резисторов R3 и R6 действует напряжение, большее порога переключения триггера Шмитта (логические элементы DD4.1, DD4.2). На выходе элемента DD4.2 — напряжение логической 1. и счетчики-делители микросхемы DD1, а также микросхем DD2, DD3 заторможены подачей этого уровня на входы R. На выходах 0 (выводы 3) микросхем DD2, DD3 — напряжение логической 1. а на всех контактах разъема XS3 — напряжение логического 0.
При наступлении темного времени суток на выходе триггера Шмитта появляется напряжение логического 0, начинают работать генератор и счетчики-делители микросхемы DD1, а также микросхемы DD2, DD3. Через каждые 30 минут напряжение логической 1 появляется на очередном контакте разъема XS3. Через диоды VD3 — VD10. которые с помощью гибких проводников и
вилок ХР1 — ХР8 соединены с гнездами-контактами разъема XS3, напряжение логической 1 поступает на входы логических элементов DD5.3 и DD5.4. При этом срабатывают электромагнитные реле К1 и К2, своими контактами включая соответствующий симистор (VS1 или VS2), которые подключают к сети нагрузку — осветительные приборы и аудиовизуальные приборы. Программа включения этих приборов задается вставкой вилок ХР1 — ХР8 в соответствующие гнезда разъема XS3.
Элементы R9, R10, C2, СЗ предназначены для уменьшения обгорания контактов реле. Диоды VD 11, VD12 защищают транзисторы от индукционных всплесков напряжения, возникающих в моменты выключения реле.
В устройстве применены радиодетали следующих типов. Микросхемы DD2 — DD5 могут быть также из серии К561. Транзисторы VT1, VT2 — любые из серий КТ203, КТ208, КТ209, КТ361, КТ502. Диодный мост VD1 — любой на напряжение больше 10 В и ток больше 50 мА. Стабилитрон может быть и другого типа, рассчитанный на напряжение стабилизации 9 В (например, КС 191 А). Диоды VD3 — VD12 могут быть практически любыми — Д9, КД102, КД103, КД509, КД510 с любыми буквенными индексами. Конденсаторы C2 — С4 — типа К73-17, С5 — К50-24, К50-29 или К5-16, С6 — КМ-6, К10-17 или любого другого типа. Конденсатор С1 определяет стабильность временных интервалов, формируемых генератором, поэтому желательно использовать такие типы, которые имеют небольшой температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Можно использовать керамические конденсаторы типов КТ, КД, КЛС, КМ, К10-17 со следующими подгруппами по ТКЕ:
П100, П33, МПО, МЗЗ, М47, М75, а также пленочные конденсаторы типов К73, К74, К77. Все постоянные резисторы — МЛТ, С2-23, С1-12; подстроечный R7 — многооборотный СП5-2 или СП5-14. Реле К1, К2 — типа РЭС49, паспорт РС4.569.424 (сопротивление обмотки постоянному току 800 Ом). Гнезда XS1, XS2 — типа РД1-1, XS3 — гнездо разъема МРН44, ГРПМ45 или аналогичные. Вилки ХР1 — ХР8 изготовлены из проволоки подходящего диаметра (должна обеспечиваться плотная вставка в гнездовую часть разъема). К анодам диодов VD3 — VD10 вилки подключаются с помощью гибких проводников (например, из проводов марки МГТФ, МГШВ).
Монтаж устройства произвольный. Фоторезистор располагают таким образом, чтобы на него падал естественный свет с улицы и не попадал бы свет от фонарей. Настройка устройства состоит в подборке порога срабатывания триггера Шмитта с помощью резистора R7 при уменьшении уровня освещенности до определенного предела. Следует также установить вилки в соответствующие гнезда разъема. Чтобы включение и выключение обеих нагрузок могло происходить независимо, следует попарно объединить контакты гнезда разъема, тогда две вилки, управляющие разными нагрузками, можно будет "привязывать" к одному временному интервалу. При необходимости увеличить число интервалов времени количество вилок может быть увеличено.
Рис. 140 Охранное устройство на базе имитатора
7.4 Два переключателя елочных гирлянд.
7.4 Два переключателя елочных гирлянд
Схема первого переключателя представлена на рис. 141. Это устройство управляет двумя гирляндами, состоящими из малогабаритных светодиодов красного и зеленого цветов, и предназначено для украшения небольшой новогодней елки.
На транзисторах VT1, VT2 собран симметричный мультивибратор, частота переключения которого определяется номиналами резисторов R1 — R4 и конденсаторов Cl, C2. Для указанных на
схеме номиналов этих элементов частота составляет около 1 Гц. В коллекторные цепи транзисторов включены две гирлянды из светодиодов HL1 — HL32. Диоды VD1, VD2 и резисторы Rl, R4 необходимы для обеспечения перезарядки конденсаторов С1 и С2. Источник питания переключателя гирлянд выполнен по схеме однополупериодного выпрямителя на диоде VD3 с использованием балластного конденсатора С4 для гашения напряжения. Диод VD4 необходим для перезарядки конденсатора при положительной волне (относительно нижнего по схеме провода сети) напряжения, резистор R6 ограничивает импульс тока при включении устройства в сеть, когда конденсатор разряжен. Через резистор R5 конденсатор С4 разряжается после выключения устройства из сети. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором СЗ. Стабилитрон в блоке питания отсутствует, а напряжение на элементах мультивибратора ограничивается напряжением на включенной гирлянде светодиодов, т.е. светодиоды выполняют функцию стабилитронов. Поскольку в любой момент времени обязательно включена одна из двух гирлянд, напряжение на конденсаторе СЗ не может превысить напряжение на светящейся гирлянде.
В устройстве можно использовать любые р-n-р-транзисторы с допустимым напряжением между эмиттером и коллектором не менее 40 В. Подойдут транзисторы КТ208 (Ж, И, К, Л, М), КТ209 (Ж, И, К, Л, М), КТ361 (В, Д), КТ50ЦЖ, И, К, Л, М), КТ502 (с любыми буквами). Светодиоды могут быть из серии АЛ307 с любыми буквами; поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от типа, количество их в гирлянде должно быть таким, чтобы напряжение одной гирлянды не превысило допустимое напряжение транзисторов. Конденсаторы С1 — СЗ — К50-24, К50-16, К50-35; С4 — К73-17. В качестве диодов VD1, VD2 можно применить, помимо указанных на схеме, КД509, КД510, КД513 (с любыми буквами), а также КД521 (А, Б, В). Диоды VD3, VD4 должны быть рассчитаны на обратное напряжение не менее 350 В. Подойдут диоды КД105 (Б, В, Г), КД226 (В, Г, Д).
Переключатель гирлянд смонтирован в небольшом пластмассовом корпусе (рис. 142) на плате из фольгированного стеклотекстолита. На плате установлены все элементы, кроме светодиодов HL2 — HL31. Эти светодиоды соединены между собой отрезками провода длиной 10... 15 см, а с корпусом — проводами длиной
1,5...2 м. Для декоративного оформления светодиодов использованы разноцветные пластмассовые пуговицы, у которых расстояние между отверстиями составляет 2,5 мм. При монтаже выводы светодиода вставляют в отверстия пуговицы, припаивают отрезки провода и изолируют место пайки отрезками поливинилхлоридной трубки диаметром 1...1,5 мм и длиной 15...20 мм. На задней стенке корпуса установлены 2 вилки, с помощью которых устройство непосредственно вставляется в розетку электросети. Правильно собранное устройство в налаживании не нуждается.
На рис. 143 приведена схема еще одного устройства управления елочной гирляндой, которое позволяет плавно управлять яркостью свечения ламп. Основная часть схемы аналогична схеме терморегулятора, приведенной на рис. 94 данной книги; на рис. 95 приведены временные диаграммы работы.
Рассмотрим особенности работы этого устройства. На инвертирующий вход компаратора DA2 поступают пилообразные импульсы с частотой, равной двойной частоте сети. На неинвертирующий вход компаратора поступают треугольные импульсы инфранизкой частоты, которые формирует генератор, собранный на логических элементах микросхемы DD1. Элементы D1.1, DD1.2 и резисторы R10, R11 образуют триггер Шмитта, входящий в состав генератора. Допустим, на выходе логического элемента DD1.3 действует напряжение высокого уровня, а конденсатор С4 разряжен. В этом случае через диод VD5 и резистор R11 конденсатор С4 будет заряжаться, а напряжение на нем будет увеличиваться. Когда оно достигнет верхнего порога переключения триггера Шмитта, последний переключится в противоположное состояние, и на выходе элемента DD1.3 установится напряжение низкого уровня. Теперь конденсатор С4 будет разря-
жаться через открывшийся диод VD4 и резистор R10. При уменьшении напряжения до нижнего порога переключения триггер Шмитта вновь переключится в противоположное состояние, и процесс формирования импульса повторится. В результате на конденсаторе С4 форма напряжения будет близка к треугольной. Воздействие этого напряжения на неинвертирующий вход компаратора приводит к формированию на выходе компаратора импульсов тока изменяющейся скважности; эти импульсы тока, протекая через цепь управляющего электрода симистора VS 1, изменяют яркость ламп гирлянды (они подключены к гнездам "Нагрузка") от минимальной до максимальной и наоборот.
Стабилитрон VD3 необходим для того, чтобы "приподнять" пилообразное напряжение до уровня, соответствующего нижнему порогу переключения триггера Шмитта.
В качестве микросхемы DA2 можно использовать, помимо указанной на схеме, компараторы типа К521САЗ. При использовании компараторов других типов придется применить усилитель тока выходного каскада. Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми структуры n-р-n. Замена остальных радиодеталей, думается, не вызовет затруднений.
Настройка устройства состоит в регулировании подстроечными резисторами R10 и R 11 скоростей зажигания и гашения ламп гирлянды.
Рис. 141 Переключатель гирлянд для малогабаритной елки
Рис. 142 Внешний вид переключателя гирлянд
Рис. 143 Устройство для плавного управления яркостью гирлянды
7.5 Мощный терморегулятор.
7.5 Мощный терморегулятор
Такой терморегулятор может использоваться для поддержания температуры воздуха в помещении, в ящике для хранения продуктов на балконе, температуры воды в аквариуме и т.п.
Рассмотрим работу терморегулятора по его принципиальной схеме, приведенной на рис. 144. На логических элементах DD1.1, DD1.2 выполнен триггер Шмитта с небольшим гистерезисом, а на элементах DD1.3 — DD1.6 — генератор прямоугольных импульсов, скважность которых близка к 1 (это означает, что большую часть времени в течение периода на выходе генератора имеется напряжение высокого уровня). Импульсы усиливаются по току транзистором VT1 и поступают в цепь управляющего электрода симистора VS1. Источник питания терморегулятора выполнен по схеме однополупериодного выпрямителя на диоде VD3 с исполь-
зованием балластного конденсатора СЗ для гашения напряжения. Стабилитрон VD4, помимо стабилизации напряжения, выполняет и другую функцию: через него протекает ток перезарядки конденсатора СЗ в течение действия полуволны сетевого напряжения, когда диод VD3 закрыт. Резистор R 14 ограничивает импульс тока при включении устройства в сеть, когда конденсатор СЗ разряжен. Через резистор R13 конденсатор СЗ разряжается после выключения устройства из сети. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором С1. Кроме того, этот конденсатор, накапливая энергию, обеспечивает формирование коротких, но довольно мощных импульсов тока, управляющих симистором.
Если температура среды выше нормы, то сопротивление терморезистора RK1 ниже нормы, напряжение в точке соединения резисторов RK1 и R2 выше нормы, и триггер DD1.1DD1.2 находится в состоянии, при котором на выходе логического элемента DD1.1 действует напряжение низкого уровня. Генератор DD1.3 — DD1.6 заторможен, на его выходе напряжение высокого уровня, и транзистор VT1 закрыт, закрыт и симистор VS1, ток в нагрузку не поступает. При снижении температуры ниже установленного значения триггер переключается в противоположное состояние, начинает работать генератор, и короткие импульсы подаются на управляющий электрод симистора. Поскольку частота импульсов генератора (около 1000 Гц) много больше частоты сети, открывание симистора происходит практически в начале каждого полупериода сетевого напряжения, и симистор остается открытым до окончания очередного полупериода. Следовательно, при наличии импульсов на выходе генератора на нагрузку подается полное напряжение сети (за вычетом падения напряжения на открытых переходах симистора — не более 2 В).
В терморегуляторе можно в качестве микросхемы DD 1 использовать также К561ЛН1 или двухвходовые логические элементы инверторов, у которых входы соединяют вместе. Правда, при этом потребуется два корпуса микросхем. Остающиеся свободными логические элементы следует соединять параллельно и использовать в выходном каскаде генератора. Транзистор VT1 может быть из серий КТ208, КТ209, КТ501, КТ502 с любыми буквенными индексами. Стабилитрон VD4 может быть любым другим с напряжением стабилизации 6...10 В и током стабилизации не менее 30 мА.
Оксидный конденсатор С1 — К50-24, К50-29, К50-35; С2 — КЛС, К10-7, К10-23, КМ-5, КМ-6; С3 — К73-17. Постоянные резисторы— типа МЛТ, С 1-12, С2-23; подстроенный резистор R2 — СП5-2 или СПЗ-38; переменный резистор R3 — ППБ, СП-1, СП-0,4, СПЗ-30.
Терморегулятор смонтирован в пластмассовом корпусе размерами 155х110х45 мм (рис. 145). На его верхней крышке, выполненной из дюралюминия и окрашенной нитроэмалью, установлены светодиоды HL1, HL2 с надписями "Включено" и "Нагрев", переменный резистор R3 "Установка температуры". Аббревиатура на крышке корпуса "ЭБУ" означает "Электронный блок управления". На боковой стенке корпуса установлен разъем-гнездо XS1 типа РД 1-1.
Большая часть элементов устройства смонтирована на печатной плате. Терморезистор RK1 соединен с печатной платой витой парой проводов и помещен в небольшой пластмассовый корпус с отверстиями. Симистор установлен на охлаждающем радиаторе с поверхностью охлаждения 200 см^2. В корпусе рядом с радиатором просверлены отверстия для свободной циркуляции воздуха.
Правильно собранный и из исправных радиодеталей терморегулятор начинает работать сразу. Следует лишь подстроечным резистором R2 установить диапазон регулирования температуры. Максимальная мощность нагрузки, которая подключается к терморегулятору, не должна превышать 1100 Вт.
Авторский экземпляр терморегулятора эксплуатируется уже более трех лет для поддержания температуры воздуха в жилом помещении и работает надежно.
Рис. 144 Принципиальная схема мощного терморегулятора
Рис. 145 Внешний вид мощного терморегулятора
7.6 Устройство аварийного электропитания.
7.6 Устройство аварийного электропитания
В последнее время в связи с неудовлетворительной экономической ситуацией в стране участились отключения электроэнергии. В дачных же кооперативах и в лучшие времена аварийные отключения происходили нередко. Преобразователь напряжения, описание которого приведено ниже, позволяет осуществлять питание электроприборов от аккумулятора напряжением 12В. Продолжительность питания в аварийном режиме определяется емкостью аккумуляторной батареи и может достигать нескольких часов. Суммарная мощность потребителей не должна превышать 200 Вт. Форма напряжения — прямоугольные импульсы, частота — 50 Гц.
Рассмотрим работу устройства аварийного электропитания, или преобразователя напряжения, по его принципиальной схеме, представленной на рис. 146. На логических элементах DD1.1 — DD1.3 микросхемы DD1 выполнен генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы частотой 100 Гц. Через буферный элемент DD1.4 импульсы поступают на счетный вход С JK-триггера DD2. Для обеспечения счетного режима работы на информацион-
ные входы J и К триггера подано напряжение логической 1, а на установочные входы R и S — напряжение логического 0. На прямом и инверсном выходах триггера импульсы следуют с частотой 50 Гц, причем фазы импульсов противоположны (отличаются на 180°). Необходимость использования триггера вызвана тем, что на его выходах импульсы имеют форму идеального меандра, т.е. абсолютно симметричны (скважность равна 2).
С выходов триггера импульсы поступают на буферные логические элементы DD1.5, DD1.6, которые усиливают импульсы по току, и затем подаются через резисторы R3, R6 на базы транзисторов VT1, VT2. В коллекторные цепи указанных транзисторов включены половины обмотки I трансформатора Т1. С обмоток II, III трансформатора Т1 прямоугольные импульсы поступают на базы транзисторов VT3, VT4. Эти транзисторы, работающие в ключевом режиме, поочередно подают питающее напряжение на половины обмотки I трансформатора Т1. Полуобмотки трансформатора включены в эмиттерные цепи транзисторов, а не в коллекторные; это сделано для того, чтобы транзисторы VT3, VT4 типа П210Ш, у которых с корпусом соединен коллектор, можно было бы установить на одном радиаторе без электрической изоляции корпусов транзисторов. Следует заметить, что в данном случае полуобмотки трансформатора Т1 с равным успехом (с точки зрения схемотехники) могли бы быть включены и в коллекторные цепи транзисторов. С обмотки II трансформатора Т2 снимают напряжение 220 В частотой 50 Гц, которое используют для питания электроприборов. Отличие формы напряжения от синусоидальной практически не влияет на работу электроприборов. Коэффициент трансформации трансформатора Т2 (отношение чисел витков обмотки II и половины обмотки I) равен 220/12 =18,3.
Светодиод HL1 индицирует наличие высокого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т2. Диод VD2 предохраняет светодиод от воздействия на него обратного напряжения. Микросхемы питаются от параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне VD1 и резисторе R7. Стабилизация напряжения необходима для того, чтобы обеспечить неизменность частоты генератора при изменении напряжения аккумулятора. Конденсатор СЗ сглаживает пульсации напряжения
частотой 50 Гц. Конденсатор С2 шунтирует высокочастотные случайные помехи.
О деталях устройства. Вместо микросхем серии К561 можно применить микросхемы серий 564, КР1561. Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми из серий КТ815, КТ817, КТ630; VT3, VT4 — П210 с любыми буквами, а также 1Т806, ГТ806, 1Т813 с любыми буквенными индексами. Применение в качестве VT3, VT4 кремниевых транзисторов нежелательно, поскольку они характеризуются большим, чем у германиевых, падением напряжения на переходах в состоянии насыщения, что приводит к значительным тепловым потерям и снижает коэффициент полезного действия устройства. Стабилитрон VD1 заменим на Д814Б, однако температурная стабильность напряжения у него несколько ниже. Диод VD2 может быть абсолютно любым. Конденсатор С1 должен обладать небольшим температурным коэффициент емкости, поскольку от него зависит стабильность частоты генератора. Этому условию удовлетворяют конденсаторы типов К73-17, К73-24. Конденсатор С2 — типа КЛС, К10-7В, КМ-5, КМ-6. Ок-сидный конденсатор СЗ — К50-16, К50-24, К50-35. Подстроечный резистор R2 — типа СП5-2, СПЗ-14; остальные резисторы С1-12, С2-23 или МЛТ. Выключатель Q1 — тумблер типа ТВ 1-4 с четырьмя группами замыкающих контактов; для увеличения коммутируемого тока все четыре группы соединены параллельно. Гнездо XS1 — типа РД1. Трансформатор Т1 выполнен на ленточном магнитопроводе ШЛ 12х20. Обмотка I содержит 500 витков провода ПЭВ-2 0,21 с отводом от середины; обмотки II и III — по 30 витков провода ПЭВ-2 0,4. Одноименные выводы обмоток II и III должны быть помечены (на схеме показаны точками). Трансформатор Т2 выполнен на магнитопроводе ШЛ32х32. Его обмотка I содержит 96 витков провода ПЭВ-2 2,5 с отводом от середины; обмотка II — 920 витков провода ПЭВ-2 0,56.
В качестве аккумуляторной батареи GB1 может быть использована стартерная автомобильная батарея напряжением 12 В, например, 6СТ60. От емкости этой батареи зависит время непрерывной работы преобразователя на нагрузку.
Конструкция устройства произвольная. Транзисторы VT3, VT4 должны быть установлены на теплоотводящий радиатор площадью около 200 см^2. Цепи, соединяющие аккумуляторную батарею,
мощные транзисторы, трансформатор Т2, должны быть выполнены проводами сечением не менее 4 мм^2
Настройка устройства состоит в установлении с помощью подстроенного резистора R2 частоты генератора 100 Гц.
Рис. 146 Принципиальная схема устройства аварийного электропитания
7.7 Программатор интервалов времени.
7.7 Программатор интервалов времени
Это устройство предназначено для подачи звукового сигнала в установленное время. В отличие от будильника, программатор позволяет заранее установить несколько (в данном случае — четыре) временных интервала. Точность (дискретность) установки временных интервалов — 5 минут.
Рассмотрим работу программатора по его принципиальной схеме, приведенной на рис. 147. На микросхеме DD1 выполнен генератор импульсов кварцованной частоты 32768 Гц, а также счетчики импульсов. На их выходах имеются импульсы, период следования которых или частота указаны на принципиальной схеме.
Импульсы с периодом следования 1 мин подаются на счетный вход CN счетчика DD2.1. Работа микросхемы этого типа — К561 ИЕ10 — уже неоднократно была описана в этой книге, и нет нужды повторяться. При появлении на выходах 1 и 4 данного счетчика одновременно напряжений высокого логического уровня, или логической 1 (что соответствует десятичному числу 5), на выходе логического элемента DD3.2 (2И-НЕ) появляется напряжение логического 0, которое поступает на один из входов логического элемента DD3.1. На выходе этого элемента в таком случае появляется напряжение логической 1, которое подается на вход R счетчика DD2.1 и устанавливает триггеры счетчика в исходное состояние, при котором на их выходах присутствует напряжение логического 0. Таким образом, счетчик делит частоту поступающих входных импульсов на два, и на вход следующего счетчика DD2.2 с выхода логического элемента DD3.2 поступают импульсы с периодом следования 5 мин.
Счетчик DD2.2 благодаря наличию обратных связей через логические элементы DD3.3, DD3.4 имеет коэффициент счета 12. Следовательно, заполнение этого счетчика происходит через 5 мин х 12 = 60 мин, т.е. через 1 час. С выхода элемента DD3.4 ча-
совые импульсы поступают на вход счетчика DD4.1, а с его выхода 8 — на вход счетчика DD4.2.
Работа этих двух счетчиков (DD4.1, DD4.2) иллюстрируется приведенной ниже таблицей истинности (табл. 5).
Как известно, соединенные последовательно пять счетных триггеров обеспечивают коэффициент деления 2^5=32. Чтобы его уменьшить, использованы логические элементы DD6.1, DD6.2. При появлении в двух последних разрядах счетчика одновременно напряжения логической 1 (это происходит после прихода 24-го счетного импульса) на выходе логического элемента DD6.2 появ-
ляется напряжение логического 0, а на выходе логического элемента DD6.1 — напряжение логической 1. Триггеры счетчиков DD4.1, DD4.2 устанавливаются в исходное, нулевое, состояние, после чего процесс счета начинается снова.
Для дешифрирования логических состояний счетчиков использованы микросхемы DD7 — DD10 типа К561ИД1, представляющие собой дешифратор четырехразрядного двоичного кода в десятичный позиционный код. Активное состояние выхода соответствует уровню логической 1. Соединение входов дешифраторов DD7, DD8 между собой и с выходами счетчика DD2.2 обеспечивает 12-позиционный код 5-минутных интервалов, а вхо-
дов дешифраторов DD9 — DD11 между собой и с выходами счетчиков DD4.1, DD4.2 — 24-позиционный код часовых интервалов. Рассмотрим подробнее работу дешифраторов DD7, DD8. Вначале необходимо ознакомиться с таблицей истинности микросхемы К561ИД1 (табл. 6).
Из таблицы, в частности, видно, что при подаче на входы дешифратора двоичного кода, соответствующего числу 10 и более, на всех выходах дешифратора устанавливается уровень логического 0.
Входы 1, 2 и 4 дешифраторов DD7, DD8 соединены между собой, а на вход 8 дешифратора DD8 подается сигнал, инверсный логическому уровню аналогичного входа дешифратора DD7. При подаче на вход счетчика DD2.2 первых семи импульсов на входе дешифратора DD8 действует напряжение логической 1. Как видно из табл. 6, при таком входном сигнале на входе 8, независимо от логических уровней на других входах дешифратора, в активном состоянии могут находиться только выходы 8 и 9 дешифратора;
однако они не используются в данной схеме. Поэтому при поступлении первых семи импульсов дешифратор DD8 фактически не работает (ни один из обозначенных на схеме выходов не находится в активном состоянии). С приходом восьмого импульса на выходе 8 счетчика DD2.2 устанавливается напряжение логической 1, а на входе 8 дешифратора DD8 — напряжение логического 0. При этом на всех выходах дешифратора DD7 (задействованных в данном устройстве) действует напряжение логического 0, и в работу включается дешифратор DD8. Светодиоды HL2 — HL13 светятся, когда на соответствующих выходах дешифраторов имеется напряжение высокого уровня. Работа дешифраторов DD7, DD8 хорошо иллюстрируется таблицей истинности (табл. 7). Цифрой 1 показано светящееся состояние светодиодов.
Аналогично работают и дешифраторы DD9 — DD11, дешифрирующие состояния 24-позиционного кода часовых интервалов. В любой момент времени светится один из светодиодов HL14 — HL37, индицируя значение текущего времени в часах.
Для установки нужного часа используется кнопка SB1 "Установка часов". При нажатии этой кнопки устанавливаются в исходное состояние счетчик микросхемы DD1, с выхода М которого снимаются минутные импульсы, а также счетчики DD2.1, DD2.2.
На вход триггера DD4.1 через замыкающие контакты SB 1.2 с выхода S2 микросхемы DD1 поступают импульсы с частотой 0,5 Гц. При установке нужного часа, индицируемого загоранием одного из светодиодов HL14 — HL37, кнопку SB1 отпускают. Установка счетчика 5-минутных интервалов в требуемое положение нс предусмотрена, поэтому установку программатора нужно производить только в конце каждого часа, когда передают сигналы точного времени.
Во время работы программатора попеременно загораются светодиоды HL2 — HL13, индицируя 5-минутные интервалы, а также попеременно загораются светодиоды HL14 — HL37, индицируя текущий час. Таким образом, одновременно в любой момент времени светятся два светодиода. Светодиод HL1 загорается с частотой 1 Гц и служит индикатором работы устройства.
Для установки нужного момента подачи звукового сигнала использованы четыре элемента совпадения DD13.1 — DD13.4. Входы каждого из этих логических элементов с помощью гибких проводников и вилок ХР1 — ХР8 соединяются с выходами дешифраторов DD7 — DD11, подключенными к гнездам XS1 — XS36. Для установки момента срабатывания, например, 8 час. 35 мин., вилку ХР1 вставляют в гнездо, соединенное со светодиодом HL22, а вилку ХР2 — в гнездо, соединенное со светодиодом HL9. Аналогичным образом устанавливают при необходимости и другие временные интервалы, используя для этого вилки ХРЗ — ХР8. Максимально можно установить четыре различных временных интервала.
При наступлении нужного времени на обоих входах одного из логических элементов DD13.1 — DD13.4 устанавливается напряжение логической 1, а на выходе данного логического элемента — напряжение логического 0. Это приводит к установлению на выходе логического элемента DD12.3 напряжения логической 1, а на выходе логического элемента DD14.1 — напряжения логического 0. Через дифференцирующую цепь C5R19 отрицательный перепад напряжения поступает на вход логического элемента DD14.3, который вместе с логическим элементом DD14.2 образует RS-триггер. Поступившим отрицательным перепадом напряжения RS-триггер установится в состояние, при котором на выходе логического элемента DD14.3 появится напряжение высокого уровня.
Оно подается на вход (вывод 11) логического элемента DD12.2. На вывод 10 этого элемента поступают импульсы частотой 1028 Гц, снимаемые с выхода F микросхемы DD1. На вывод 12 логического элемента DD12.2 подаются импульсы с выхода S2 микросхемы DD1 частотой 0,5 Гц. На вывод 9 логического элемента DD12.2 поступают проинвертированные минутные импульсы с выхода М микросхемы DD1. Поскольку переключение первого триггера счетчика DD2.1 происходит спадом минутных импульсов, после каждого такого спада на входе 9 логического элемента DD12.2 действует напряжение логической 1. Таким образом, после переключения RS-триггера DD14.2DD14.3 на выходе логического элемента DD12.2 будут импульсы частотой 1028 Гц, следующие с периодом 0,5 с. Усиленные по току транзистором VT1, эти импульсы возбудят звуковой излучатель НА1, и прерывистый звуковой сигнал возвестит о наступлении установленного времени. Чтобы выключить звуковой сигнал, необходимо нажать кнопку SB2. Если этого не сделать, то через 40 с логический уровень напряжения на выходе М микросхемы DD1 изменится на противоположный, на выводе 9 логического элемента DD12.2 установится напряжение логического 0, и звук выключится.
Питаются все элементы программатора от стабилизатора, выполненного на микросхеме DA1. Его выходное напряжение равно 9 В.
Несколько слов о назначении отдельных элементов программатора. Резисторы Rl, R2 обеспечивают подачу напряжения высокого уровня на соответствующие выводы микросхем, а резисторы R9 — R 16 — подачу напряжения низкого уровня на входы логических элементов микросхемы DD13.
О деталях устройства. Микросхемы DD1, DD12 аналогов в других сериях не имеют; все остальные микросхемы могут быть заменены соответствующими аналогами из серии К176. Транзистор VT1 —любой из серий КТ203, КТ361, КТ501, КТ502. Кварцевый резонатор Z1 — малогабаритный на частоту 32768 Гц, предназначенный для использования в электронных часах. Конденсаторы С1, С3, С5 — типов КТ, КЛС, KM, K10-7B, К10-23, С7 — КМ-6Б, К10-23; оксидный конденсатор С6 — К50-24 или К50-35. Подстроечные конденсаторы С2 и С4 — типа КТ4 или КПК-МП. Все резисторы — МЛТ-0,25. Звуковой излучатель
HA1— микрофонный капсюль ДЭМШ-1А, вызывной прибор типа ВП-1 или телефонный капсюль любого типа с сопротивлением катушки постоянному току не менее 65 Ом (например, ТК-47, ТК-67). Кнопки SB1, SB2 — типа КМ или П2К; выключатель питания Q1 — переключатель типа П2К с фиксацией положения или тумблер типа МТ1, ТП1-1. Трансформатор Т1 может быть любого другого типа; он должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение 12...15 В при токе не менее 100 мА. Гнезда и вилки — любого типа, совместимые друг с другом.
Монтаж элементов устройства выполнен комбинированным способом на двух монтажных платах № 2 (рис. 16 книги). Светодиоды расположены в две вертикальные линейки. На верхней крышке устройства около светодиодов располагаются соответствующие им гнезда XS1 — XS36; рядом нанесены надписи, обозначающие время: 0 м, 5 м, 10м,..., 55 м; 0 час, 1 час,..., 23 час. Длина проводников, соединяющих входы логических элементов микросхемы DD13 с вилками ХР1 — ХР8, зависит от конструкции и может быть 15...20 см.
Если монтаж устройства выполнен без ошибок, то устройство начнет работать сразу. С помощью конденсаторов С2 и С4 осуществляют соответственно грубую и точную установку частоты. Сделать это можно по сигналам точного времени или по образцовому частотомеру.
После включения программатора необходимо кратковременно нажать кнопку SB2, чтобы установить триггер DD14.2DD14.3 в исходное состояние.
Рис. 147а Принципиальная схема программатора интервалов времени
Рис. 147б Принципиальная схема программатора интервалов времени
Таблица 5. Таблица истинности счетчиков
Таблица 6. Таблица истинности микросхемы К561ИД1
Таблица 7. Работа дешифратороа DD7, DD8
7.8 Стабилизаторы напряжения на микросхемах серии КР142.
7.8 Стабилизаторы напряжения на микросхемах серии КР142
Выпускаемые отечественной промышленностью интегральные стабилизаторы напряжения серии КР142 позволяют простыми схемными методами получить стабилизированные напряжения в достаточно большом диапазоне — от единиц вольт до нескольких десятков вольт. Рассмотрим некоторые схемные решения, которые могут представить интерес для радиолюбителей.
Микросхема КР142ЕН5А — это интегральный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением +5 В. Типовая схема включения этой микросхемы уже была представлена в книге (см.
рис. 105). Однако, несколько изменив схему включения, можно на базе этой микросхемы построить стабилизатор с регулируемым выходным напряжением в диапазоне от 5,6 В до 13 В. Схема представлена на рис. 148.
На вход интегрального стабилизатора (вывод 17 микросхемы DA1) поступает нестабилизированное напряжение +16 В, а на вывод 8 — сигнал с выхода стабилизатора, регулируемый переменным резистором R2 и усиленный по току транзистором VT1. Минимальное напряжение (5,6 В) складывается из напряжения между коллектором и эмиттером полностью открытого транзистора, которое равно около 0,6 В, и номинального выходного напряжения интегрального стабилизатора в его типовом включении (5 В). При этом движок переменного резистора R2 находится в верхнем по схеме положении. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения; конденсатор С2 устраняет возможное высокочастотное возбуждение микросхемы. Ток нагрузки стабилизатора — до 3 А (микросхема при этом должна быть размещена на теплоотводящем радиаторе).
Микросхемы К142ЕН6А (Б, В, Г) представляют собой интегральные двуполярные стабилизаторы напряжения с фиксированным выходным напряжением 15 В. При этом максимальное входное напряжение каждого из плеч 40 В, а максимальный выходной ток — 200 мА. Однако на базе этого стабилизатора можно построить двуполярный регулируемый источник стабилизированного напряжения. Схема представлена на рис. 149.
Изменяя напряжение на выводе 2 интегрального стабилизатора, можно изменять выходное напряжение каждого плеча от 5 В до 25 В. Пределы регулировки для обоих плеч устанавливают резисторами R2 и R4. Следует помнить, что максимальная рассеива-
емая мощность стабилизатора — 5 Вт (разумеется, при наличии теплоотвода).
Микросхемы КР142ЕН18А и КР142ЕН18Б представляют собой регулируемые стабилизаторы напряжения с выходным напряжением 1,2...26,5 В и выходным током 1 А и 1,5 А соответственно. Регулирующий элемент стабилизатора включен в минусовой провод источников питания. Корпус и цоколевка стабилизаторов этого типа аналогичны микросхеме КР142ЕН5А.
Микросхемы оснащены системой защиты от перегрузки выходным током и от перегрева. Входное напряжение должно находиться в диапазоне 5...30 В. Мощность, рассеиваемая микросхемой с теплоотводом, не должна превышать 8 Вт. Типовая схема включения микросхем КР142ЕН18А (Б) приведена на рис. 150.
При всех условиях эксплуатации емкость входного конденсатора С 1 не должна быть менее 2 мкФ. При наличии сглаживающего фильтра выходного напряжения, если длина проводников, соединяющих его со стабилизатором, не превышает 1 м, входным кон
денсатором стабилизатора может служить выходной конденсатор фильтра.
Выходное напряжение устанавливают выбором номиналов резисторов R1 и R2. Они связаны соотношением:Uвых=Uвых мин(1+R2/R1),
при этом ток, протекающий через эти резисторы, должен быть не менее 5 мА. Емкость конденсатора С2 выбирают обычно большей 2 мкФ.
В тех случаях, когда суммарная емкость на выходе стабилизатора превышает 20 мкФ, случайное замыкание входной цепи стабилизатора может привести к выходу из строя микросхемы, поскольку к ее элементам будет приложено напряжение конденсатора в обратной полярности. Для защиты микросхемы от подобных перегрузок необходимо включать защитный диод VD1 (рис. 151), шунтирующий ее при аварийном замыкании входной цепи. Аналогично диод VD2 защищает микросхему по выводу 17 в тех случаях, когда по условиям эксплуатации емкость конденсатора С2 должна быть более 10 мкФ при выходном напряжении более 25 В.
На базе интегрального стабилизатора напряжения можно выполнить и стабилизатор тока (рис. 152). Выходной ток стабилизации ориентировочно равен 1вых=1,5 B/R1, где R1 выбирают в пределах 1...120 Ом. С помощью переменного резистора R3 можно регулировать выходной ток.
Если обратиться к справочным характеристикам интегральных стабилизаторов напряжения КР142ЕН12А (Б), то можно заметить у них много общего с КР142ЕН18А (Б). Типовая схема включения микросхемы КР142ЕН12А аналогична схеме включения
КР142ЕН18А, только регулирующий элемент включен в плюсовой провод источника питания. На базе этих микросхем несложно собрать двуполярный стабилизатор напряжения. Его схема представлена на рис. 153. Каких-либо особых комментариев здесь не требуется. Для одновременного изменения напряжения плеч стабилизатора переменные резисторы R2 и R3 можно заменить одним, сдвоенным.
Рис. 148 Регулируемый стабилизатор напряжения на базе КР142ЕН5А
Рис. 149 Регулируемый стабилизатор напряжения на базе КР142ЕН6А
Рис. 150 Типовая схема включения интегрального стабилизатора КР142ЕН18А
Рис. 151 Схема включения защитных диодов в стабилизаторе
Рис. 153 Двуполярный стабилизатор напряжения на базе КР142ЕН12А и КР142ЕН18А
8. Три металлоискателя на микросхемах
Три металлоискателя на микросхемах.
(Скетерис Р., Радио, 1990. №8, с. 33-35)
Идея металлоискателей проста. При сравнении частот двух генераторов - образцового, имеющего частоту f0, и LC-генератора
Рис. 124. Металлоискатель с рабочей частотой 100 кГц
с большой катушкой индуктивности, частота fс которого зависит от попадающих в ее поле металлических предметов, будет изменяться разностная частота F=fс-f0 Если F привести в диапазон звуковых частот, то ее изменения легко обнаруживаются на слух.
На рис. 124 изображена принципиальная схема металлоискателя, работающего на относительно низкой частоте - 100 кГц. На элементе DD1.1 собран образцовый генератор, а на элементе DD1.2 - перестраиваемый. Колебательный контур образцового генератора состоит из катушки L1 и конденсаторов C1, C2, СЗ и С6, перестраиваемого - из поисковой катушки L2 и конденсаторов С4, С5 и С7.
На элементе DD1.3 выполнен смеситель колебаний. С нагрузки этого узла - переменного резистора R5 - сигнал разностной частоты поступает на вход элемента DD1.4, работающего в режиме линейного усилителя, а усиленное им напряжение - на головные телефоны BF1.
Каркасом поисковой катушки L2 служит кольцо диаметром 250 мм, согнутое из винипластовой трубки, имеющей внешний диаметр 15 и внутренний 10 мм. Катушку наматывают проводом ПЭЛШО 0,27. Она имеет 100 витков. Для удобства намотки винипластовая трубка может иметь продольный разрез. После укладки витков катушки трубку обматывают лентой из алюминиевой фольги, которая нужна здесь как электростатический экран. В этом экране обязательно должен быть сделан разрыв, иначе он станет шунтирущим L2 короткозамкнутым витком. Для защиты поисковой катушки от механических повреждений ее обматывают двумятремя слоями ленты ПВХ. На рис. 125 показан внешний вид изготовленной таким образом катушки. Имеющееся на ней гнездо предназначено для штанги-удлинителя, который может существенно облегчить некоторые работы, например, сканирование поверхности земли.
Катушку L1 наматывают на кольцевом сердечнике 600НН К8х6х2. Она содержит 180 витков провода ПЭЛШО 0,14.
Рис. 125. Поисковая катушка металпоискателя
Рис. 126. Металлоискатель с рабочей частотой 300 кГц
Элементы прибора размещают на плате, которую помещают в металлическую коробку-экран. Удлинитель, если он есть, также должен быть металлическим. Его можно изготовить, например, из дюралюминиевой лыжной палки.
Налаживание металлоискателя сводится к настройке его генераторов на частоту примерно 100 кГц. Перестраиваемый генератор настраивают подбором конденсатора С4, образцовый - конденсатора C2 (при C1, находящемся в среднем положении). При отсутствии металла в поле поисковой катушки разностная частота F должна быть в пределах 500...1000 Гц.
Прибором можно обнаружить пятикопеечную монету на глубине до 6 см, а крышку канализационного люка - до 0,6 м.
Несколько большей чувствительностью обладает металлоискатель, принципиальная схема которого показана на рис. 126. Образцовый генератор настраивают на частоту около 300 кГц конденсатором C1, перестраиваемый - подбором конденсатора C2.
Катушку образцового генератора наматывают на кольцевом сердечнике 600НН К8х6х2 проводом ПЭЛШО 0,2. Она содержит 50 витков.
Поисковая катушка L2 имеет ту же конструкцию, что и в низкочастотном металлоискателе. Но ее диаметр - 200 мм, число витков - 50.
Рис. 127. Высокочастотный мвталлоискатель
Принципиальная схема еще одного металлоискателя показана на рис. 127. Его чувствительность еще выше, так как здесь контролируется расхождение значительно более высоких частот - образцового генератора, работающего на частоте 0,5...1 МГц, и 5...10 гармоники поискового генератора. Расстройка последнего, например, лишь на 10 Гц ведет к изменению частоты разностных колебаний на 50... 100 Гц.
Образцовый генератор металлоискателя выполнен на элементах DD2.1, DD2.2, ZQ1 и др., где ZQ1 - кварцевый резонатор на частоту f0=0,5..1 МГц, обеспечивающий высокую ее стабильность.
Контур перестраиваемого генератора (L1, C2, СЗ, VD1) должен быть настроен на одну из частот fc=к·f0, где кО{1/10, 1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5}. Ее подбирают конденсатором C2 (движок резистора R2 - элемент тонкой настройки генератора - должен быть в среднем положении).
Смеситель прибора выполнен на элементе DD1.4. Элементы DD1.3 и DD2.3 - буферные.
Поисковая катушка L1 имеет те же параметры, что и в металлоискателе с рабочей частотой 300 кГц.
Источником питания любого из этих металлоискателей может служить батарея типа «Корунд», аккумулятор «Ника» и т.п. Для контроля разностной частоты автор использовал наушники ТОН-2.
Рис. 124. Металлоискатель с рабочей частотой 100 кГц
Рис. 125. Поисковая катушка металпоискателя
Рис. 126. Металлоискатель с рабочей частотой 300 кГц
Рис. 127. Высокочастотный мвталлоискатель
9. Светотелефон на ИК лучах
Светотелефон на ИК лучах.
(Поляков В., Радио, 1984, №12, с. 33...36)
Для инфракрасного излучения воздушная среда представляет собой своеобразный фильтр, о прозрачности которого можно судить по спектрограмме, показанной на рис. 128. Для волн «ближнего» ИК излучения - l=0,8...1,3 мкм - ее прозрачность остается достаточно высокой.
До самых недавних пор использование ИК диапазона для нужд связи сдерживалось отсутствием легко модулируемых излучателей. С появлением ИК диодов это препятствие исчезло.
На рис. 129 показана принципиальная схема приемопередатчика, работающего на длине волны 0,95 мкм ( lmax ИК диода АЛ107Б).
Как выяснилось, ИК диоды неплохо работают и в качестве приемников инфракрасного излучения. В этом случае питание на диод не подают: при засветке p-n перехода на нем возникает ЭДС, зависящая от его освещенности. Такая обратимость ИК диода позволяет существенно упростить оптико-механическую часть аппарата.
Поскольку входное сопротивление усилителя, снимающего сигнал с ИК диода, работающего на прием, должно быть достаточно большим, первый его каскад выполнен на полевом транзисторе VT1. Основное усиление сигнала происходит в усилителе, собранном на биполярных транзисторах VT2-VT4. Его коэффициент усиления Кu@10000.
Рис. 128. Поглощение ИК излучения в воздухе
Выходной каскад усилителя, выполненный на транзисторах VT5-VT8, обеспечивает раскачку динамической головки ВА1 на приеме и достаточную амплитуду колебаний тока в ИК диоде в режиме передачи. При переходе на передачу (переключатель S1 на рис. 129 показан в положении «прием») динамическая головка подключается ко входу усилителя
Рис. 129. Принципиальная схема ИК телефона
и используется в качестве микрофона. Усиленный в тракте VT2-VT8 сигнал вводится в ИК диод в виде тока звуковой частоты. Его уровень будет зависеть, очевидно, от напряжения на выходе усилителя и сопротивления резистора R8. Излучение ИК диода линейно связано с этим током и будет отслеживать его даже на самых высоких телефонных частотах (ИК диоды обладают достаточно высоким быстродействием).
Очень важным узлом ИК трансивера является его оптическая система. В качестве линзы, концентрирующей световой поток на ИК диоде в режиме приема и «сжимающей» его расходящееся излучение (~40°) в узкий луч в режиме передачи, используется линза от конденсора фотоувеличителя, имеющая диаметр D=70 мм и фокусное расстояние F=85 мм. Отношение D/F@1 рекомендуется сохранять, применяя и какие-либо другие линзы. Не рекомендуется использовать здесь так называемую просветленную оптику. Она просветлена лишь для спектра 0,4...0,7 мкм*.
Конструируя оптическую систему, принимают все меры к минимизации паразитной подсветки ИК диода. Пространство между диодом и линзой нужно наглухо закрыть коническим светонепроницаемым кожухом, а внешнюю подсветку линзы уменьшить надвинутой на нее блендой. Бленду можно изготовить из отрезка пластиковой или металлической тубы, имеющей внутренний диаметр чуть больше D.
Она должна быть возможно более длинной, во всяком случае не менее 2D. Внутреннюю поверхность бленды следует зачернить; лучше, если это покрытие будет матовым.
О других деталях ИК трансивера. Динамическая головка ВА1 - типа 0,1ГД-6, но можно взять и любую другую, имеющую сопротив- ление звуковой катушки в пределах 6...16 Ом. Транзисторы VT2- VT4 - практически любые структуры n-p-n - КТ315, КТ3102 и др. Резисторы R2, R3, R5...R11 - типа МЛТ; R1 - С3-14 или КИМ; R4 - подстроечный или регулировочный любого типа. Источник питания ИК телефона должен быть способен отдать ток 100 мА.
Для наладки прибора потребуется авометр. Включив аппарат на прием, измеряют напряжение Uk на коллекторах транзисторов VT7, VT8. Нужное здесь Uk=+1,5 В получают, изменяя сопротивление резистора R10. Затем проверяют напряжения на истоке транзистора VT1 (+1 В) и его стоке (+2 В). Этот режим устанавливают, изменяя сопротивление резистора R3. Теперь, направив телефон на освещенный предмет, можно услышать шум, а если свет электрический, то и фон переменного тока. Уличные фонари в вечернее время прослушиваются таким образом с расстояния в несколько сотен метров.
Переключив трансивер на передачу, измеряют ток в ИК диоде (чтобы не рвать цепь - по падению напряжения на резисторе R8). Он должен быть в пределах 30...40 мА, максимум - 50 мА. Его регулируют подбором резистора R8.
В заключение измеряют ток, потребляемый трансивером в режиме дежурного приема (10 мА) и при появлении сигнала корреспондента (до 30...40 мА при большой его громкости). В режиме передачи потребляемый трансивером ток должен быть 30...40 мА. Если нет перемодуляции, то он не будет зависеть от громкости сказанного в микрофон. Нужный уровень модуляции выставляют подбором резистора R7.
Для дальнейших экспериментов потребуется второй ИК телефон. Если расстояние между аппаратами невелико, то при приеме усилитель может перегружаться, что скажется на качестве передачи (в приемнике нет АРУ). В этом случае нужно так или иначе уменьшить уровень ИК несущей. Можно, например, задиафрагмировать линзу одного из аппаратов кольцом из черной бумаги.
Поскольку ширина диаграммы направленности ИК телефона близка к 1,5°, наводка их друг на друга представляет определенные трудности. Полезно снабдить аппараты хотя бы простыми визирами.
Лучшей наводке будет соответствовать наибольшая громкость принимаемого сигнала.
В дневное время дальность ИК линии связи достигает нескольких сотен метров. Ее ограничивает посторонняя засветка (прежде всего светлый фон за корреспондентом), увеличивающая уровень шума на приеме. В вечернее и ночное время она возрастает до 1,5 км.
*) Лучше, почти без потерь, фокусируют ИК излучение зеркала с внешним напылением.
Рис. 128. Поглощение ИК излучения в воздухе
Рис. 129. Принципиальная схема ИК телефона
10. Датчик колебаний кузова
Датчик колебаний кузова.
(Тимофеев С., Радио, 1996, № 10, с. 46)
Автомобильная охранная система редко обходится без датчика колебаний кузова.
Принципиальная схема одного из них показана на рис. 130, а. Здесь РА1 - микроамперметр М476/1 с утяжеленной стрелкой - чувствительный элемент датчика: при колебаниях стрелки на рамке прибора, перемещающейся в магнитном поле, возникает электрическое напряжение.
Корпус микроамперметра вскрывают по склейке острым лезвием. На конец стрелки надевают и аккуратно обжимают плоскогубцами небольшой груз - отрезок трубчатого припоя длиной 3...5 мм и диаметром 3 мм. На концы шкалы наклеивают демпферы-ограничители - кубики 5х5х5 мм, вырезанные из поролона. Проделав все это, склейку восстанавливают и микроамперметр готов к работе в новом своем качестве.
Рис. 130. Датчик колебаний кузова автомобиля
В автомобиле микроамперметр-датчик. крепят так, чтобы ось качания стрелки была расположена вдоль автомобиля, ее утяжеленный конец «смотрел» вниз.
Для усиления сигнала, снимаемого с рамки микроамперметра и приведения его к цифровому стандарту, служит аналого-цифровой компаратор DA1. Пороговое напряжение на нем выставляют резистором R3. Это делается для того, чтобы исключить реакцию датчика на малые колебания кузова, не имеющие криминальной первопричины. В зависимости от положения движка резистора R3 относительно точки максимальной чувствительности датчика компаратор будет реагировать на входной сигнал по-разному (см. осциллограммы U0вых и U1вых на рис. 130, б).
Ток, потребляемый датчиком при +Uпит=5 В, не превышает 1,5 мА. По энергоэкономичности предпочтительнее режим, соответствующий осциллограмме U1вых.
Рис. 130. Датчик колебаний кузова автомобиля
11. Эхолот рыболова-любителя
Эхолот рыболова-любителя.
(Войцехович В., Федорова В.. Радио. 1988, №10, с. 32...36)
Не только рыболова, конечно. Электронный эхолот может быть полезен при самых разных подводных работах.
Эхолот может быть изготовлен в двух вариантах: с пределами измерения глубины до 9,9 м (в его табло - два люминесцентных индикатора) и 59,9 м (три индикатора). Прочие их характеристики одинаковы: инструментальная погрешность - не более ±0,1 м, рабочая частота - 170...240 кГц (зависит от резонансной частоты излучателя), мощность в импульсе - 2,5 Вт. Ультразвуковой излучатель он же и приемник эхосигнала - пластина из титаната бария диаметром 40 и толщиной 10 мм. Источник питания эхолотов - батарея типа «Корунд». Потребляемый ток - не более 19 и 25 мА (соответственно, в эхолотах для малых и больших глубин). Габариты эхолотов - 175х75х45 мм, масса - 0,4 кг.
Структурная схема, поясняющая работу эхолота, показана на рис. 131. Тактовый генератор G1 управляет взаимодействием узлов прибора и обеспечивает его работу в автоматическом режиме. Генерируемые им короткие (0,1 с) прямоугольные импульсы повторяются каждые 10 с. Своим фронтом эти импульсы устанавливают цифровой счетчик РС1 в нулевое состояние и закрывают приемник А2, делая его нечувствительным к сигналам на время работы передатчика.
Рис. 131. Структурная схема эхолота
Спадом тактовый импульс запускает передатчик А1 и излучатель BQ1 излучает в направлении дна короткий (40 мкс) ультразвуковой зондирующий импульс. Одновременно открывается электронный ключ S1 и колебания образцовой частоты от генератора G2 поступают на счетчик РС1.
По окончании работы передатчика приемник А2 открывается и приобретает нормальную чувствительность. Эхосигнал, отраженный от дна, принимается тем же BQ1 и закрывает ключ S1. Измерение закончено, на индикаторах счетчика РС1 высвечивается измеренная глубина*.
Очередной тактовый импульс вновь переведет счетчик РС1 в нулевое состояние и процесс повторится.
Принципиальная схема эхолота с пределом измерения глубины 59,9 м изображена на рис. 132. Его самовозбуждающийся на частоте ультразвукового излучателя BQ1 передатчик выполнен на транзисторах VT8, VT9. Включением-выключением передатчика управляет модулятор - ждущий одновибратор (VT11, VT12 и др.), подающий через свой ключ (VT10) питание на передатчик в течение 40 мкс.
Транзисторы VT1, VT2 в приемнике усиливают принятый пьезоэлементом BQ1 эхосигнал, транзистор VT3 детектирует их, а транзистор VT4 усиливает продетектированный сигнал. На транзисторах VT5, VT6 собран одновибратор, обеспечивающий постоянство параметров выходных импульсов и порога чувствительности приемника. От прямого воздействия импульсов передатчика приемник защищается диодным ограничителем (R1, VD1, VD2).
В приемнике применено принудительное выключение одновибратора приемника с помощью транзистора VT7. На его базу через диод VD3 поступает положительный тактовый импульс и заряжает конденсатор С8. Открываясь, транзистор VT7 соединяет базу транзистора VT5 одновибратора приемника с «+» источника питания, предотвращая тем самым возможность его срабатывания от приходящих импульсов. По окончании тактового импульса конденсатор С8 разряжается через резистор R18, транзистор VT7 постепенно закрывается, и одновибратор приемника обретает нормальную чувствительность.
Цифровая часть эхолота собрана на микросхемах DD1-DD4. В ее состав входит ключ (DD1.1), управляемый RS-триггером (DD1.3, DD1.4). Импульс начала счета поступает на триггер от модулятора передатчика через транзистор VT16, окончания - с выхода приемника через транзистор VT15.
Генератор импульсов образцовой частоты (7500 Гц) собран на элементе DD1.2. Цепью R33, L1 он вводится в режим линейного усилителя, что создает условия для его возбуждения на частоте, зависящей от параметров контура L1 С 18. Точно на частоту 7500 Гц генератор выводят подстройкой L1.
Сигнал образцовой частоты через ключ поступает на трехразрядный счетчик DD2-DD4. В нулевое состояние его устанавливает фронт тактового импульса, поступающий через диод VD4 на R-входы этих микросхем.
Тактовый генератор собран на транзисторах VT13, VT14. Частота следования импульсов зависит от постоянной времени R28-C15.
Нити накала люминесцентных индикаторов HG1-HG3 питаются от преобразователя напряжения, выполненного на транзисторах VT17, VT18 и трансформаторе Т2.
Кнопка SB1 («Контроль») служит для проверки работоспособности устройства. При ее нажатии на ключ VT15 поступает закрывающий импульс и на табло эхолота появится какое-то случайное число. Через некоторое время тактовый импульс перезапустит эхолот, и, если он исправен, на табло возникнет число 88.8.
Все резисторы в эхолоте - типа МЛТ, конденсаторы - КЛС, КТК и К53-1. Транзисторы КТ312В и ГТ402И можно заменить на любые другие этих серий, МП42Б - на МП25„ КТ315Г - на КТ315В. Микросхемы серии К176 можно заменить на эквивалентные из серии К561. Если эхолот предполагается использовать на глубинах до 10 м, микросхему DD4 и индикатор HG3 можно не устанавливать.
Обмотки трансформатора Т1 намотаны проводом ПЭЛШО 0,15 на каркасе диаметром 8 мм с ферритовым (600НН) подстроечником диаметром 6 мм. Длина намотки - 20 мм. Обмотка I содержит 80 витков с отводом от середины, обмотка II - 160 витков.
Трансформатор Т2 выполнен на ферритовом (3000НМ) кольце типоразмера К16х 10х4,5 Обмотка I содержит 2х180 витков провода ПЭВ-2 0,12, обмотка II - 16 витков провода ПЭВ-2 0,39.
Рис. 132. Принципиальная схема эхолота
Катушка L1 (1500 витков провода ПЭВ-2 0,07) намотана между щечками на каркасе диаметром 6 мм. Диаметр щечек - 15, расстояние между ними - 9 мм. Подстроечник - из карбонильного железа (от броневого магнитопровода СБ-1а).
К посеребренным плоскостям пластины излучателя сплавом Вуда припаивают тонкие выводы. Излучатель собирают в алюминиевом стакане диаметром 45...50 мм (донная часть корпуса оксидного конденсатора). Его высоту - 23...25 мм - уточняют при сборке. В центре дна стакана сверлят отверстие под штуцер, через который будет выведен коаксиальный кабель длиной 1...1,25 м, соединяющий ультразвуковую головку с электронной частью эхолота. Пластину излучателя приклеивают клеем 88-Н к диску из мягкой микропористой резины толщиной 10 мм. При монтаже оплетку кабеля припаивают к штуцеру, центральный проводник - к выводу обкладки, приклеенной к резиновому диску, вывод другой обкладки излучателя - к оплетке кабеля. Собранный таким образом излучатель вдвигают в стакан. Поверхность пластины излучателя должна быть ниже кромки стакана на 2 мм. Стакан закрепляют строго вертикально и заливают до края эпоксидной смолой. После ее затведения торец излучателя шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до получения гладкой плоской поверхности. К свободному концу коаксиального кабеля припаивают ответную часть разъема X1.
Для налаживания эхолота потребуется осциллограф и цифровой частотомер. Включив питание, проверяют работоспособность счетного устройства: если оно исправно, то индикаторы должны высвечивать число 88.8.
Работу передатчика проверяют осциллографом, работающим в режиме ждущей развертки. Его подключают к обмотке II трансформатора Т1. С приходом каждого тактового импульса на экране осциллографа должен появляться радиочастотный импульс. Подстройкой трансформатора Т1 (грубо - подбором емкости конденсатора С 10) добиваются максимальной его амплитуды. Амплитуда радиоимпульса на пьезоизлучателе должна быть не меньше 70 В.
Для настройки генератора образцовой частоты потребуется частотомер. Его подключают через резистор сопротивлением 5,1 кОм к выходу (выв. 4) элемента DD1.2 и, изменяя положение подстроечника в катушке L1 (грубо - изменением емкости конденсатора С18), выставляют нужные 7500 Гц.
Приемник и модулятор настраивают по эхосигналам. Для этого излучатель прикрепляют резиновым жгутом к торцовой стенке пластмассовой коробки размером 300х100х100 мм (для устранения воздушного зазора это место смазывают техническим вазелином). Затем коробку заполняют водой, выпаивают из приемника диод VD3 и присоединяют к выходу приемника осциллограф. Критерием правильной настройки приемника, модулятора и качества ультразвукового излучателя является число наблюдаемых на экране эхо - сигналов, возникающих вследствие многократных отражений ультразвукового импульса от торцовых (разнесенных на 300 мм) стенок коробки. Для увеличения видимого числа импульсов подбирают резисторы R2 и R7 в приемнике, конденсатор С 13 в модуляторе и подстраивают трансформатор Т1.
Вернув на место диод VD3, приступают к регулировке задержки включения приемника. Она зависит от сопротивления резистора R18. Этот резистор заменяют переменным на 10 кОм и находят такую его величину, при которой на экране осциллографа исчезают первые два эхосигнала. Это сопротивление и должен иметь резистор R18. После настройки число эхосигналов на экране осциллографа должно быть не меньше 20.
Для измерения глубины водоема нижнюю часть ультразвуковой головки погружают в воду на 10...20 мм. Лучше иметь для нее специальный поплавок.
*) Ее расчет прост: при скорости распространения звука в воде 1500 м/с, за 1/7500 с фронт сигнала, проделывающего двойной путь, переместится на 0,2 м; и, соответственно, младшая единица на табло счетчика будет соответствовать глубине 0,1 м.
Рис. 131. Структурная схема эхолота
Рис. 132. Принципиальная схема эхолота
12. Управляемый делитель на p-i-n диодах
Управляемый делитель на p-i-n диодах.
(Шульгин Г., Радио, 1980, №9. с. 19)
Для электронной коммутации высокочастотных цепей применяют p-i-n диоды, собственное сопротивление которых в очень широких пределах зависит от протекающего через диод постоянного тока (тока смещения). Так, например, диоды КА509А при токе смещения Iсм =50 мА имеют динамическое сопротивление 0,25 Ом, а при Iсм =0 оно возрастает до сотен килоом. При этом динамическая емкость диода составляет 0,6...1 пФ. Такие характеристики p-i-n диодов позволяют им соперничать с обычными механическими переключателями (не считая, разумеется, возможности управлять ими на расстоянии).
Но p-i-n диоды можно использовать и в «плавных» ВЧ регуляторах. Принципиальная схема высокочастотного делителя напряжения, работающего в АРУ любительского трансивера, в его ВЧ и ПЧ цепях, изображена на рис. 133.
Рис. 133. Управляемый высокочастотный делитель на p-i-n диодах
В обычном состоянии (в режиме максимального усиления канала) транзистор V5 закрыт и ток, протекающий через p-i-n диоды V1 и V2, выводит их в режим минимального динамического сопротивления. При нагрузке Rн=1 кОм и токе в диодах 3 мА ослабление, которое внесет этот делитель на частоте 9 Мгц, составит 0,5 дб. А при Rн=75 Ом и токе 10 мА оно будет равно 1 дб на частотах от 1 до 30 Мгц.
По мере открывания транзистора V5 (напряжением АРУ) появляется и увеличивается ток в шунтирующих ВЧ сигнал p-i-n диодах V3 и V4 и уменьшается в проходных V1 и V2. Увеличение проходного сопротивления и уменьшение шунтирующего ведет к уменьшению ВЧ напряжения на выходе делителя. Максимальное его ослабление почти не зависит от сопротивления нагрузки и составляет 60 дб на частотах от 1 до 30 МГц
В делителе используются резисторы МЛТ-0,5, конденсаторы С1, СЗ-С9 - КМ-5, С2 - К53-1, дроссели L1-L3 - ДМ-0,1. При пайке p-i-n диода нужно обеспечить надежный отвод тепла от его корпуса.
Все элементы делителя размещают на печатной плате, которую тщательно экранируют.
Рис. 133. Управляемый высокочастотный делитель на p-i-n диодах
13. Предварительный делитель частоты
Предварительный делитель частоты.
(Головач С., Радио, 1997, Ns11, с. 57, 58)
Частотомеры, выполненные в КМОП-технике, имеют существенный недостаток - предельная частота измерения не превышает в них, как правило, нескольких мегагерц*. Делитель частоты, принципиальная схема которого приведена на рис. 134, позволит значительно расширить частотный диапазон таких частотомеров.
На ЭСЛ-элементах DD1.1, DD1.2, переведенных в линейный режим работы резисторами R3 и R5, и транзисторе VT1 собран широкополосный усилитель-ограничитель (в ограничителе - диоды VD1, VD2) с коэффициен- том усиления-около 36. Делитель частоты выполнен на двух быстродействующих десятичных счетчиках DD2 (ЭСЛ) и DD3 (ТТЛ).
Форсированный запуск транзистора VT1 по базе и эмиттеру увеличивает крутизну фронтов низкочастотных сигналов и компенсирует спад усиления в DD1.1, DD1.2, начинающийся с 130...150 МГц.
Цепь питания каждой микросхемы должна быть заблокирована конденсатором емкостью 0,047 мкФ (на схеме не показаны).
В делителе можно применять любые резисторы и конденсаторы. Их номиналы могут отличаться от указанных на схеме на 20%. Переключатель SA1 - П2К.
Рис. 134. Делитель частоты 1:100, fmax=250 Мгц
Диоды должны быть германиевыми: вместо Д9Б подойдут любые из Д9, а также Д18, Д20, ГД507А; вместо Д311 - Д312 и Д310. Транзистор КТ326Б может быть заменен на КТ326БМ или любым из КТ337, КТ347, КТ363, КТ3109.
В усилителе-ограничителе можно использовать микросхемы К500ЛМ101, К500ЛМ102, К500ЛМ109.
Наладка делителя сводится к подбору резисторов R3 и R5. Подав на частотомер синусоидальный сигнал с частотой 1 МГц, амплитудой 100 мВ и контролируя сигналы на выходах элементов DD1.1, DD1.2 осциллографом, добиваются симметричного их ограничения.
Сопротивление резистора R1 должно быть равно волновому сопротивлению подводящего кабеля.
Основные параметры делителя
|
Коэффициент деления
|
1:100
|
|
Полоса частот
|
0,5...250 МГц
|
|
Чувствительность
|
30 мВ
|
|
Входное сопротивление
|
50; 75 Ом
|
|
Напряжение питания
|
4,2...5,8 В
|
|
Потребляемый ток
|
47 мА
|
*) Становится высокочастотной и КМОП-техника. Так, в микросхемах серии КР1554 время переключения логического элемента составляет б... 10 нс, а максимальная частота сигналов на входах счетчиков, регистров, других автоматных микросхем может достигать 140 МГц (см. «Радио», 1995, № 9, с. 62).
Рис. 134. Делитель частоты 1:100, fmax=250 Мгц
14. Еще один телефонный усилитель
Еще один телефонный усилитель.
(Порошенко А., Радио, 1998, №3. с.43)
Громкость телефонной передачи можно увеличить, если вмонтировать в трубку телефона усилитель, принципиальная схема которого показана на рис. 135.
Здесь: VT1 - любой p-n-p транзистор серии МП; постоянные резисторы - МЛТ-0,125, переменный - от малогабаритного приемника; конденсатор С1 - К50-3, С2 - К50-6. Диодный мост можно составить и из других диодов, но обязательно германиевых.
Размещение этих элементов на печатной плате показано на рис. 136. Конденсатор С2 монтируют в положении «лежа».
Источником питания усилителя служит сама телефонная линия.
Рис. 135. Телефонный усилитель
Рис. 136. Печатная плата усилителя
Рис. 135. Телефонный усилитель
Рис. 136. Печатная плата усилителя
15. Ультразвуковой автосторож
Ультразвуковой автосторож.
(Вилл В., Радио, 1996, №1, с. 52, 53)
Отсюда мы возьмем лишь генератор-излучатель, который может работать в любой охранной системе, использующей ультразвук.
На рис. 137 приведена принципиальная схема генератора, возбуждающего ультразвуковой пьезоизлучатель типа УМ-1, рекомендованная
Рис. 137. Ультразвуковой генератор
Рис. 138. Ультразвуковой генератор с частотной коррекцией
его изготовителями. Однако такой генератор нередко возбуждается не на основной частоте излучателя, а на значительно более высоких паразитных частотах. В этом случае на «микрофонном» УМ-1 (эти резонаторы имеют довольно узкую полосу пропускания и в продажу поступают подобранными в пары) сигнал, очевидно, будет просто отсутствовать.
В генераторе, принципиальная схема которого изображена на рис. 138, приняты меры к тому, чтобы пьезорезонатор возбуждался лишь на своей основной частоте. Он состоит из двух блоков - самовозбуждающегося генератора, выполненного на микросхеме DD1, и синхронизатора, в который входят частотоограничивающая цепочка R7C3 и усилитель ( VT1 и др.).
Транзистор VT1 - любой кремниевый, с коэффициентом усиления по току 50...300 и напряжением Uкэ нe менее 15 В (КТ315Г, КТ315Е, КТ3102А-КТ3102В, ряд других3). Микросхема К561ЛН2 может быть заменена одноименной из серий 564 или КР1561. Конденсатор С1 должен быть возможно более термостабильным (генератор с С1 из группы ТКЕ М75 уверенно «держал» резонансную частоту в температурном интервале +25...-20 °С). Подстроечный резистор R5 - типа СП5. Этот резистор обладает достаточно высокой стабильностью выставленного сопротивления.
Наладка генератора проста. Подключив к резистору R6 осциллограф и закоротивконденсатор СЗ, подстройкой резистора R5 выводят генератор в режим работы на основной частоте пьезоизлучателя (ему будет соответствовать резкое увеличение амплитуды колебаний на экране осциллографа). Сняв перемычку с конденсатора СЗ, убеждаются в работе синхронизатора: при довольно значительных изменениях сопротивления резистора R5 частота и амплитуда генерируемых колебаний должны оставаться практически неизменными.
Рис. 137. Ультразвуковой генератор
Рис. 138. Ультразвуковой генератор с частотной коррекцией
16. «Люстра Чижевского» - своими руками
«Люстра Чижевского» - своими руками.
(Иванов Б., Радио, 1997, №1, с. 36, 37)
То, что воздух в наших жилых и производственных помещениях отличается от естественной воздушной среды, общеизвестно. Но не только загрязнением. Измерения показали, что если в воздухе лесных массивов и лугов содержится от 700 до 1500 отрицательных аэронов в одном кубическом сантиметре (иногда до 5000 ион/см^3), то в жилых помещениях их концентрация снижается подчас до 25 ион/см^3. Что, как выясняется, вовсе небезразлично для здоровья человека - ряд наших недомоганий связан именно с этим дефицитом.
В 20-х годах на важность аэроионного состава воздуха обратил внимание Александр Леонидович Чижевский (1897-1964), предложивший и способ его нормализации. Автор настоящей работы - Борис Сергеевич Иванов - занимается внедрением аэроионной техники в наш быт уже многие годы. Мы знакомим читателя с «люстрой Чижевского» его конструкции.
Основные узлы аэроионизатора - электроэффлювиальная «люстра» и преобразователь напряжения. В названии «люстры» отражен процесс образования аэроионов (эффлювий - истечение): с заостренных частей люстры с большой скоростью, обусловленной высоким напряжением, стекают электроны. «Налипая» на молекулы кислорода, они уходят от места своего образования, оказываятем самым влияние на аэроионный состав воздушной среды всего помещения.
От конструкции «люстры», размеров тех или иных ее деталей зависит эффективность работы аэроионизатора. Сделать ее «лучше», конечно, можно, но вот оценить результат - аэроионный состав излучаемого, его энергетику - вряд ли удастся.
Основа «люстры» - легкий металлический обод (например, обычное гимнастическое кольцо «хула-хуп») диаметром 750...1000 мм, на котором натягивают взаимно перпендикулярно с шагом 35...45 мм оголенные или облуженные медные провода диаметром 0,6... 1,0 мм. Эта клетчатая сетка, провисая, образует часть сферической поверхности (см. рис. 139). К узлам сетки припаивают иглы длиной не более 50 мм и толщиной 0,25...0,5 мм, например, булавки с колечком на конце. Остро заточенный кончик иглы увеличивает рабочий ток «люстры» и уменьшает выход нежелательных здесь озона и окислов азота.
Под углом 120° к ободу «люстры прикреплены три медных провода диаметром 0,8...1,0 мм, которые спаивают между собой над
Рис. 139. Конструкция "люстры Чижевского"
центром обода. К этой точке будет подведено высокое напряжение, она же, связанная через изолятор с потолком или специальным кронштейном, будет и точкой подвеса «люстры». В качестве подвеса-изолятора можно взять рыболовную леску диаметром 0,5...0,8 мм. Ее длина должна быть не менее 150 мм.
К «люстре» подключают «-» источника питания напряжением не менее 25 кВ. Только при таком напряжении обеспечивается достаточная «живучесть» аэроионов, сохраняется их способность проникать и в легкие человека. Для помещений большого объема, например, спортивных залов, напряжение на «люстре» может достигать и 40...50 кВ (обязательное условие - отсутствие коронного разряда, который легко обнаружить по запаху озона).
Принципиальная схема высоковольтного преобразователя, прошедшего всестороннюю и многолетнюю проверку, приведена на рис. 140.
Во время положительного полупериода сетевого напряжения через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1 заряжается конденсатор С1. Тиристор VS1 при этом закрыт, так как отсутствует ток через его управляющий электрод (падение напряжения на диоде VD2 в этом режиме мало по сравнению с напряжением открывания тиристора).
Рис. 140. Высоковольтный преобразователь для питания "люстры"
При отрицательном полупериоде диоды VD1 и VD2 закрываются и между катодом и управляющим электродом тиристора возникает напряжение, достаточное для его открывания. Это ведет к тому, что конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора Т1 и на его повышающей обмотке возникает «пачка» двуполярных, быстро уменьшающихся по.амплитуде импульсов (колебательный процесс обусловлен здесь малыми потерями). Этот процесс повторяется в каждом периоде сетевого напряжения.
Умножитель напряжения - диоды VD3-VD6, конденсаторы С2-С5 - выполнен здесь по классической схеме.
Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно соединенных резисторов МЛТ-2 3 кОм, a R3 - из трех-четырех последовательно соединенных МЛТ-2 общим сопротивлением 10...20 МОм*. Резистор R2 - МЛТ-2. Диоды VD1, VD2 могут быть и другими - с током не менее 300 мА и обратным напряжением не ниже 400 В (VD1) и 100 В (VD2). Диоды VD3-VD6 можно заменить на КЦ201Г(Д, Е). Конденсатор С1 - типа МБМ на напряжение 250 В, СЗ-С5 - ПОВ на напряжение не ниже 10 кВ, С2 - ПОВ на напряжение не менее 15 кВ. Тиристор VS1 - КУ201К(Л), КУ202К(Н). Трансформатор Т1 - катушка зажигания Б2Б (на 6 В) от мотоцикла.
Аэроионизатор монтируют так, как это принято в высоковольтных аппаратах - на изоляторах с хорошими поверхностями, с достаточно большими расстояниями между полюсами, гладкими пайками и т.п.
Аэроионизатор в наладке не нуждается. Изменить напряжение на его выходе можно подбором резистора R1 или конденсатора С1.
Простейший индикатор нормальной работы аэроионизатора - вата: небольшой ее кусочек должен притягиваться к «люстре» с расстояния 50...60 см. Для проверки напряжения на «люстре» можно воспользоваться, конечно, и электростатическим вольтметром. В бытовых «люстрах» рекомендуется установить напряжение в пределах 30...35 кВ.
При работе аэроионизатора не должно быть никаких посторонних запахов (признаков появления озона и окислов азота), это особо оговаривал Чижевский.
О технике безопасности. Хотя ток, возникающий при случайном прикосновении к «люстре», очень мал и сам по себе опасности не представляет, но большого удовольствия такой разряд, конечно, не доставит. А падение с высоты после удара им может иметь и вполне реальные последствия. Поэтому при каких-либо работах с «люстрой» ее необходимо не только отключить от сети (оба провода), но, замкнув высоковольтный вывод преобразователя на общий провод, разрядить все конденсаторы.
Автор рекомендует «принимать ионы» следующим образом: расстояние от «люстры» - 1...1.5 м, время 30...50 мин. И так - ежедневно, лучше - перед сном.
*) При замыкании «люстры» к резистору R3 будет приложено полное выходное напряжение преобразователя и составляющие его резисторы могут быть пробиты (предельно допустимое напряжение для резистора МЛТ-2 - 750 В). Здесь был бы предпочтительнее высоковольтный резистор - например, КЭВ-5.
Рис. 139. Конструкция "люстры Чижевского"
Рис. 140. Высоковольтный преобразователь для питания "люстры"
17. Электронный предохранитель
Электронный предохранитель.
(Флавицкий А., Радио, 1994, № 7, с. 35)
На рис. 141 показана принципиальная схема электронного предохранителя, способного мгновенно отключить нагрузку при увеличении потребляемого ею тока выше установленного предела.
Силовая часть устройства состоит из диодного моста VD1-VD4, в диагональ которого включен тиристор VS1. Если фотодиод в оптопаре U1 освещен светодиодом, то в начале каждого полупериода
Рис. 141. Электронный предохранитель
на управляющем электроде тиристора возникает напряжение, достаточное для его включения, и цепочка диодный мост-тиристор будет проводящей. Если фотодиод в оптопаре останется неосвещенным, тиристор VS1 будет закрыт и в цепи, связывающей электрическую сеть с нагрузкой, образуется разрыв. Предохранитель включают кнопкой SB1. В момент ее замыкания тиристор VS2 закрывается, но предохранитель остается выключенным (цепь питания светодиода оптрона остается зашунтированной), и лишь при размыкании SB1 напряжение сети будет подано на нагрузку. Это позволяет избежать порчи предохранителя при попытке включить его при коротком замыкании в цепи нагрузки.
Для отключения нагрузки вручную нужно лишь нажать кнопку SB2. Тиристор VS1 и диоды VD1-VD4 устанавливают на алюминиевые пластины-теплоотводы 50х80х5 мм. Резистор R10 - отрезок провода ПЭВ-1 0,6 длиной около двух метров (или более короткий, если взять провод высокого удельного сопротивления - манганин, константан и др.).
Конденсатор С1 - К73-17; С2 и С3 - К50-6. Диоды VD1-VD4 можно заменить на Д232, Д233, Д247, КД203, КД206 и др., имеющие обратное напряжение не ниже 400 В и рабочий ток не менее 10 А. Стабилитрон Д814Д можно заменить на Д814Г, Д813, Д811, КС213 другие с напряжением стабилизации 10...12 В. Тиристор КУ101 (VS2) может иметь любой буквенный индекс, а тиристор КУ202 (VS1) - индексы К или Н. Транзистор VT1 - любой маломощный кремниевый структуры n-p-n - из КТ361, КТ209, КТ201, КТ502, КТ3107 и др.
Порог срабатывания предохранителя IсрЈ10 А изменяют подбором резистора R10, его сопротивление должно быть R10(0м)@1,3/Iср (А).
При эксплуатации электронного предохранителя нужно иметь в виду, что при включении в сеть некоторых приборов возникает начальный бросок тока (стартовый ток электродвигателя, ток холодной лампы накаливания и др.), способный вызвать его срабатывание. В таких случаях либо повышают токовый порог Iср предохранителя, либо тем или иным способом увеличивают его инерционность (например, увеличением емкости конденсатора СЗ). И то и другое имеет свои минусы. Лучше принять меры к уменьшению самих бросков тока*, наносящих вред прежде всего самой нагрузке, приводящих к ускоренному ее износу.
*) «Мягким» включениеим электроламп, разного рода ограничителями пусковых токов и др.
Рис. 141. Электронный предохранитель
18. Стоп-сигнал под надежным контролем
Стоп-сигнал под надежным контролем.
(Чуйкин А., За рулем, 1995, № 9, с. 80)
Рис. 142. Контроль стоп-сигнала
На рис. 142 приведена принципиальная схема устройства, информирующего водителя о включении ламп стоп-сигнала при торможении автомобиля.
Контрольная лампа, которую устанавливают на щитке, включится, очевидно, лишь в том случае, если Ur2 - напряжение на резисторе R2 - превысит Uотс =0,5...0,6 В - напряжение отсечки кремниевого транзистора VT1. При R2=0,3 Ом и общем токе в лампах стоп-сигнала I=3,5 А (на самом деле несколько меньше из-за падения напряжения на резисторе R2) Ur2=I·R2@1 В, и в цепи база-эмиттер транзистора VT1 возникнет ток Iбэ=(Ur2-Uост)/R1 =0,02...0,025 А. А поскольку коэффициент усиления по току транзистора КТ816Г h21э=25, то возникающий в нем коллекторный ток Iк=Iбэ·h21э=0,5...0,625 А обеспечит питание индикаторной лампы HL3, тоже, конечно, 12-вольтной.
Заметим, что контрольная лампа HL3 не включится, если выйдет из строя лишь одна из ламп стоп-сигнала - HL1 или HL2. Падение напряжения на резисторе R2 в этом случае будет меньше напряжения отсечки транзистора VT1.
Рис. 142. Контроль стоп-сигнала
19. Ультразвук против грызунов
Ультразвук против грызунов.
(Банников В., Радио, 1996, № 8, с. 48)
В поисках ультразвука, оказывающего отпугивающее воздействие на животных того или иного вида, нередко строят генераторы, так или иначе варьирующие частоту излучения. Принципиальная схема одного из таких генераторов показана на рис. 143.
На элементах DD1.3, DD1.4, R5, R7, С5, С6 собран симметричный мультивибратор, частоту которого можно изменять в пределах 25...50 кГц. На эмиттерных повторителях (транзисторы VT2-VT5) собран усилитель мощности, к выходу которого подключен излучатель - высокочастотная динамическая головка ВА1.
Частота возбуждения мультивибратора зависит не только от номиналов входящих в него резисторов и конденсаторов (F@1/(R5·C6+R7·C5)), но и от состояния транзистора VT1. Частота возбуждения минимальна, если этот транзистор закрыт, максимальна, если открыт; она увеличивается от минимума до максимума по мере открывания VT1.
Рис. 143. Сканирующий ультразвуковой генератор
Режим работы транзистора VT1 периодически изменяется. Этот период зависит от постоянной R2C1 (T@2R2·Cl), задающей частоту возбуждения генератора, выполненного на элементах DD1.1 и DD1.2, и постоянной R3C2, преобразующей меандр выходного напряжения этого генератора в «трапецевидный» ток в базе транзистора VT1.
Таким образом промодулированный высокочастотный генератор будет излучать ультразвуковые колебания в диапазоне частот 25...50 кГц, пробегая его «туда и обратно» за 1/6... 1/9 с.
Полагая, что грызуны могут привыкнуть к такому упорядоченному излучению, автор предлагает еще один способ сканирования ультразвукового диапазона - тремя инфранизкочастотными генераторами с рассогласованными частотами (рис. 144).
В устройстве могут быть использованы резисторы типа МЛТ-0,125. Конденсаторы С1-СЗ, С5 и С6 - любые керамический, С4 - любой оксидный. Диоды VD1-VD3 - кремниевые импульсные или высокочастотные. Транзистор VT1 - любой из КТ315. Составные транзисторы VT2 и VT4 могут быть любыми из КТ829 или КТ972, a VT3 и VT5 - из КТ853 или КТ973.
Динамическая головка ВА1 - малогабаритная ЗГДВ-1 или 6ГДВ-4. Могут оказаться пригодными и другие высокочастотные «пищалки», но в любом случае сопротивление головки ВА1 должно быть не менее 4 Ом.
При напряжении источника питания 9 В и 8-омной нагрузке ток, потребляемый устройством, не превышает 0,5 А.
В устройстве может потребоваться лишь уточнить диапазон частот ультразвукового и частоты инфранизкочастотных генераторов. Это можно сделать по осциллографу или «на слух», предварительно понизив в 5-6 раз частоту ультразвукового мультивибратора - подключив, например, параллельно конденсаторам С5 и С6 конденсаторы емкостью по 1000 пФ.
Рис. 144. Сканирующий модулятор (вариант)
Рис. 143. Сканирующий ультразвуковой генератор
Рис. 144. Сканирующий модулятор (вариант)
20. Шпионские страсти
Шпионские страсти.
(Макаров Д., Радио, 1995. №3, с. 41)
Отметим в этой публикации остронаправленный микрофон. Он состоит из семи алюминиевых трубок диаметром 10 мм, собранных в пакет, параболического рефлектора, в фокусе которого помещен микрофон, и высокочувствительного усилителя звуковой частоты (рис. 145).
Длина трубки определяет ее резонансную частоту. Длине первой (550 мм) соответствует частота 300 Гц; второй (400 мм) - 412 Гц; третьей (300 мм) - 550 Гц; четвертой (200 мм) - 825 Гц; пятой (150 мм) - 1100 Гц; шестой (100 мм) - 1650 Гц; седьмой (50 мм) - 3300 Гц. Таким образом оказывается перекрытым весь «разговорный» спектр человеческой речи.
Рефлектор выполняет здесь функцию своего рода акустического сумматора, собирающего сигналы резонаторов. Но их суммирование может быть выполнено и без рефлектора. Достаточно снабдить миниатюрным микрофоном каждый резонатор, а их сигналы просуммировать электрически - так, например, как это делают в звукозаписи, «собирая» сложную фонограмму. К тому же, устанавливая разное усиление в каждом из каналов, нетрудно привести амплитудо-частотную характеристику микрофона к дающей наилучшую разборчивость принимаемого сигнала.
Рис. 145. Остронаправленный микрофон
|
N |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
L,MM |
550 |
400 |
300 |
200 |
150 |
100 |
50 |
|
F,Гц |
300 |
412 |
550 |
825 |
1100 |
1650 |
3300 |
Рис. 145. Остронаправленный микрофон
21. Световой сигнализатор телефонных звонков
Световой сигнализатор телефонных звонков.
(Долгов О., Радио, 1995, № 3, с. 55)
Телефонный звонок, исчезающий в шумах помещения или вообще не воспринимаемый плохо слышащим человеком, можно продублировать световым сигналом.
На рис. 146 приведена принципиальная схема светового сигнализатора. При положительных полуволнах вызывного сигнала (его амплитуда может достигать Uвс=80...100 В) диод VD1 закрыт, в цепи база-эмиттер транзистора VT1 возникает ток Uвс/R1@4...5 мА, открывающий его и транзистор VT2 до насыщения, и включенная в цепь коллектора VT2 лампа накаливания HL1 (напряжение 12В, ток - до 1 А) начинает ярко светиться. Для питания такого сигнализатора потребуется, конечно, довольно мощный источник. Например, аккумуляторная батарея 10НКБН-3,5.
Однако телефонный световой сигнализатор может быть выполнен и в более экономичном варианте. Достаточно лампу накаливания заменить светодиодом высокой яркости*, включив его последовательно с резистором (его сопротивление будет зависеть от цвета светодиода и напряжения источника питания) в коллекторную цепь транзистора VT1. Напряжение питания сигнализатора с красным светодиодом может быть снижено до 3 В, с голубым - до 6...5 В.
Сигнализатор с ярким светодиодом и его источник питания (батарею «Корунд», 6-вольтную 476А и др.) можно установить непосредственно в корпусе телефонного аппарата.
Рис. 146. Световой сигнализатор телефонных звонков
*) Например, U500U4F (красный), E1L53-3G (зеленый), ряд других. Рабочий ток светодиодов - 20 мА, яркость - 2...3.5 Кд, падение напряжения - от 1,9 В (для красных) до 4,1 В (для голубых).
Рис. 146. Световой сигнализатор телефонных звонков
22. Простой автосторож
Простой автосторож.
(Милкин В., Радио, 1995. № 11, с. 39)
Автосторож замечателен своим поведением. При любых манипуляциях с автомобилем, предшествующих запуску двигателя, он ничем себя не выдает. Но как только двигатель будет запущен, зазвучит сигнал тревоги.
Рис. 147. Автосторож
Принципиальная схема сторожа, приведенная на рис. 147, чрезвычайно проста. Здесь G1 - электрогенератор автомобиля; НА1 - клаксон или специальный ревун; SA1 - тумблер включения - выключения сторожа; VD1 - мощный диод (прямой ток не менее 25 A); GB1 - аккумулятор автомобиля.
Рис. 147. Автосторож
23. Защита трансформатора от повышенного напряжения сети
Защита трансформатора от повышенного напряжения сети.
(Копанев В., Радио, 1997, № 2, с. 46)
Рис. 148. Зависимость потерь от напряжения на трансфрматоре
Прибор, использующий электросеть, но длительное время работающий безнадзорно (термостат, бытовой автомат, охранная система и т.п.), должен, очевидно, обладать высокой пожарной безопасностью. Прежде всего это относится к сетевому трансформатору, нелинейность кривой намагничивания B=f(H) которого может привести к недопустимому его перегреву при аварийном повышении напряжения в сети.
На рис. 148 приведена экспериментально измеренная зависимость мощности Ррасс, рассеиваемой на ненагруженном трансформаторе типа ТПЗ, от напряжения в сети U1. Из графика следует, что при увеличении напряжения в 1,7 раза (вместо 220 вольт - возникающие при «перекосе» фаз 380 В) рассеиваемая на трансформаторе мощность увеличивается в 16 раз. В линейной системе такое же повышение напряжения привело бы лишь к утроению этой обращаемой в тепло мощности.
Рис. 149. Трансформаторный тандем
Самым простым выходом из этого положения является использование двух однотипных трансформаторов, включенных так, как показано на рис. 149. Такой трансформаторный «тандем» останется холодным при повышении напряжения в сети до 480...500 В. Возникающее при этом удвоение выходного сопротивления особых проблем обычно не вызывает. Конечно, устройство, подключенное к выходным обмоткам трансформатора, должно быть рассчитано на подобные скачки сетевого напряжения, должно их выдерживать без каких-либо последствий.
Рис. 148. Зависимость потерь от напряжения на трансфрматоре
Рис. 149. Трансформаторный тандем
24. Два телефона на одной линии
Два телефона на одной линии.
(МармыцкийС., Радио, 1997, №1, с. 35)
Если два телефонных аппарата (ТА), установленных, например, в разных комнатах, подключить к одной линии так, как это показано
Рис. 150. Два телефона на одной линии
на рис. 150, то они приобретают определенную независимость параллельная их работа оказывается невозможной.
Ключевую роль играют в этом стабилитроны VD1 и VD3, напряжение стабилизации которых должно быть ниже напряжения, возникающего в свободной телефонной линии, и выше напряжения в занятой линии.
Трубка, снятая с аппарата ТА1, открывает стабилитрон VD1 и, соответственно, тиристор VS1, подключая тем самым к сети именно этот телефонный аппарат. Это подключение снижает напряжение в линии с 60 В до 8...15 В и блокирует тем самым работу аппарата ТА2, поскольку такое напряжение будет уже недостаточным для пробоя стабилитрона VD3 и, соответственно, включения тиристора VS2.
Диоды VD2 и VD4 - любые кремниевые с обратным напряжением не менее 100 В и прямым током не менее 50 мА - защищают тиристоры от обратного тока через управляющий электрод во время прохождения сигнала вызова.
Стабилитроны VD1 и VD3 - любые маломощные с напряжением стабилизации 30...45 В. Такой стабилитрон можно составить из 3-4-х низковольтных стабилитронов.
Рис. 150. Два телефона на одной линии
25. Устройство тонального вызова для радиостанций
Устройство тонального вызова для радиостанций.
(Уразбахтин М., Радио, 1996, № 6, с. 8)
Далеко не все радиостанции имеют кнопку вызывного сигнала, упрощающего вхождение в связь.
Рис. 151. Вызывной генератор на КР1006ВИ1
На рис. 151 приведена принципиальная схема звукового генератора, выполненного на микросхеме КР1006ВИ1. Генератор, при включении замещая собой микрофон, модулирует несущую радиостанции тональным сигналом определенной частоты (она зависит от сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора С1).
Рис. 152. Вызывной генератор на К538УН3А
Рис. 153. Вызывной генератор в тангенте радиостанции
Другой вариант генератора - на микросхеме К538УН3А - показан на рис. 152. Здесь нужную частоту генерации устанавливают подбором емкости конденсатора С2.
Генератор монтируют на печатной плате небольшого размера, которую устанавливают непосредственно в тангенте радиостанции. Здесь же размещают источник питания - гальваническую батарею типа 11А или 476А и кнопку SB1 - например, переключатель типа Пкн61 без фиксации. На рис. 153 показано возможное размещение всех элементов вызывного генератора в тангенте радиостанции S-MINI.
Рис. 151. Принципиальная схема вызывного генератора на КР1006ВИ1
Рис. 152. Принципиальная схема вызывного генератора на К538УН3А
Рис. 153. Вызывной генератор в тангенте радиостанции
5. Электроника в быту
1. Два устройства для аварийной защиты от превышения сетевого напряжения
Два устройства для аварийной защиты от превышения сетевого напряжения
Наиболее опасным для электроприборов и радиоаппаратуры является аварийное повышение сетевого напряжения. Это может случиться при обрыве из-за сильного ветра открытой воздушной проводки в линии электропередач и замыкании одного из фазных проводов на нулевой. При этом в сети некоторое время может действовать напряжение до 380 В. Включенные лампочки лопаются, а все остальные радиоэлектронные устройства выходят из строя. Наиболее вероятно такое в сельской местности или на даче, хотя были случаи и в городе. Несмотря на то, что случается такое очень редко, от этого не легче тем, кто пострадал.
Стоящие на сетевом вводе в квартиру плавкие предохранители или электромеханические автоматы срабатывают только при превышении заданного тока (обычно при коротком замыкании в цепи). А ток в цепях значительно возрастает уже в случае повреждения электроприборов и радиоаппаратуры. Это объясняется тем, что при повышении сетевого напряжения на 50% рассеиваемая мощность в потребителях энергии увеличиваются более чем в 2 раза (Р=U^2/R).
Многие из бытовых электроприборов (электронагреватели, осветительные лампы, холодильник и др.) не боятся пониженного в сети напряжения. Для них в основном и предназначены приводимые ниже две схемы. Они срабатывают только при возрастании питающего напряжения выше заданного порога и отличаются по своему быстродействию, а значит и области применения.
Самая простая схема, которая может обеспечить защиту ламп освещения или нагревателей в случае аварийного повышения напряжения в сети, показана на рис. 1.1. В исходном состоянии номинал резистора R1 выбирается так, чтобы реле К1 было отключено. Через группы нормально замкнутых контактов К1.1, К1.2 напряжение поступает в нагрузку.
В качестве реле К1 могут быть использованы почти любые на рабочее напряжение обмотки 220 В и меньше (допустимый ток через контакты должен быть не менее 3...5 А, например из серии РПУ). Величина сопротивления резистора R1 зависит от сопротивления обмотки реле, а также его конструкции (подбирается так, чтобы К1 могло сработать при повышении действующего напряжения в сети выше 260 В). При срабатывании реле цепь нагрузки разомкнется, а дополнительный резистор R2 группой контактов К1.2 будет подключен. Резистор R2 позволит реле устойчиво удерживаться во включенном состоянии. От его величины зависит, при каком уровне пониженного напряжения реле вернется в исходное состояние (отключится).
Для того чтобы исключить дребезг контактов К1.1 при приближении напряжения к пороговому значению, потребуется подогнуть контакты К1.2 так, чтобы они срабатывали раньше, чем К1.1.
Недостатком этой схемы является низкая скорость срабатывания, из-за чего она не может надежно защитить не инерционные бытовые приборы и радиоаппаратуру.
Большую скоростью срабатывания защиты обеспечивает вторая схема, рис. 1.2. Она питается непосредственно от сети и должна быть подключена в дежурном режиме постоянно. Устройство отличается от опубликованных аналогов [Л2] малым потребляемым током в дежурном режиме — около 2 мА, а при срабатывании защиты — не более 100 мА.
В исходном состоянии реле К1 не включено и на конденсаторе С1 накапливается энергия за счет его заряда от сети через резистор R2. При этом напряжение на С1 превысит необходимое номинальное для работы реле на 30...50%. Это позволяет ускорить срабатывание репе. Стабилитрон VD1 ограничивает величину напряжения на конденсаторе С1 уровнем 33 В (без него напряжение может достигать 340 В).
При увеличении напряжения в сети, как только оно превысит на резисторе R5 порог открывания стабилитрона VD3 — открываются транзистор VT1 и тиристор VS1. За счет накопленной на конденсаторе С1 энергии срабатывает реле К1. Группа контактов К1.1 подключает резистор R1 параллельно с R2. Проходящий через него ток позволяет удерживать реле во включенном состоянии после срабатывания, когда конденсатор разрядится через обмотку реле.
Здесь используется особенность электромагнитных реле — для удержания контактов во включенном состоянии требуется меньший ток, чем для включения. Поэтому включение выполняется при повышенном напряжении, а удержание осуществляется минимально необходимым — это примерно 18 В для типа ТКЕ54.
Отключение нагрузки выполняют группы нормально замкнутых контактов реле К1 (они включены параллельно для увеличения допустимого проходящего тока).
Конденсатор С2 предотвращает срабатывание защиты от кратковременных помех в сети.
Индикатором срабатывания защиты является свечение свето-диода HL1. Диод VD8 предохраняет светодиод от воздействия высокого обратного напряжения.
В случае срабатывания защиты вернуть схему в исходное состояние можно, нажав на кнопку "сброс" (SB1).
В схеме использованы детали: резистор R1 типа ПЭВ на 25 Вт, а остальные — постоянные резисторы типа МЛТ с соответствующей мощностью рассеивания (она указана на схеме). Подстроечный резистор R5 типа СП5-16А-1 Вт. Конденсаторы С1 типа К50-35, С2 — К10-17. В качестве диодов VD1, VD2, VD5...VD7 подойдут любые выпрямительные на ток 0,5 А и обратное напряжение не менее 400 В. Транзистор VT1 КТ3102 можно заменить на КТ315 или КТ312. Стабилитрон VD3 заменяется любым из серии прецизионных с напряжением стабилизации 6,6...9,1 В, VD4 на КС533А.
Светодиод HL1 подойдет любой из серии КИПД или АЛ310А. Вместо светодиода удобно применять также неонку.
Тиристор VS1 можно использовать из серий Т112 или Т122, например Т122-20-6 (последняя цифра в обозначении указывает класс допустимого обратного напряжения и в данной схеме значения не имеет).
Реле К1 может быть типа ТКЕ54ПОД или более современное из серии РНЕ44. Такие реле допускают коммутацию напряжения 220 В и позволяют пропускать через свои контакты ток более 10 А, а при параллельном их соединении еще больше.
Все элементы на схеме, выделенные пунктиром, кроме реле К1, расположены на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5...3 мм с размерами 85х50 мм, рис. 1.3.
Для настройки устройства потребуется ЛАТР, позволяющий увеличивать напряжение на входе схемы до 260 В. Уровень повышенного сетевого напряжения, при котором срабатывает защита, устанавливается резистором R5. Номинал резистора R6 зависит от типа используемого светодиода HL1 и подбирается для получения нужной яркости свечения индикатора.
Рис. 1.1 Простейшая схема аварийной защиты от превышения сетевого напряжения
Рис. 1.2 Электрическая принципиальная схема быстродействующего блока защиты
Рис. 1.3 Топология печатной платы и расположение элементов на плате
2. Автоматическая защита сетевой радиоаппаратуры
Автоматическая защита сетевой радиоаппаратуры
По ГОСТу сетевая радиоаппаратура должна сохранять работоспособность при изменении питающего напряжения в диапазоне 187...242 В (220 В +10-15%). В городской сети напряжение в течении дня может сильно отличаться от номинала 220 В. Это часто бывает в зимний период, когда подключаются мощные потребители энергии, например электронагреватели, и напряжение в сети "просаживается" до границы нижнего допуска. Особенно не любят снижения напряжения ниже допустимой величины (187 В) импульсные источники питания телевизоров, видеомагнитофонов, персональных компьютеров, а приведенные в предыдущей статье устройства не защищают радиоаппаратуру от пониженного напряжения в сети.
Как показывает практический опыт, имеющиеся в продаже простейшие отечественные сетевые фильтры типа "Пилот" и аналогичные импортные блоки (даже с индикацией нахождения напряжения в допустимом интервале) не обеспечивают сохранности аппаратуры в случае отклонения сетевого напряжения за допуск. Сетевые фильтры
борются только с кратковременными выбросами и помехами, а стоят неоправданно дорого. По этой причине пришлось заняться изготовлением собственного устройства, которое сможет следить постоянно за состоянием напряжения в сети и вовремя спасет радиоаппаратуру.
Приведенная на рис. 1.4 и 1.5 схема позволяет быстро (за 4...10 мс) автоматически отключить радиоаппаратуру или любую другую нагрузку от сети в случае отклонения напряжения за допустимый диапазон.
Блок защиты был изготовлен для питания персонального компьютера и используемых совместно с ним устройств, поэтому внутри содержит также фильтр от сетевых помех (элементы С1...СЗ и Т1). Применение сетевого фильтра не будет лишним для питания любой
радиоаппаратуры. Кроме того, схема обеспечивает защиту подключенной радиоаппаратуры от прерывистого исчезновения напряжения. Так, например, компьютер рекомендуется повторно включать не раньше чем через 15...30 с— когда внутри него закончатся все переходные процессы в источнике питания и других узлах.
Электрическая схема устройства состоит из источника питания для схемы управления выполненного на трансформаторе Т2, стабилизатора напряжения DA1, компараторов (DA2, DA3) контроля уровня напряжения и узла задержки на микросхеме (DD1). Применение компараторов позволяет с высокой точностью настроить необходимые пороги срабатывания защиты, а схема задержки, собранная на КМОП триггерах (DD1.1 и DD1.2), исключает дребезг срабатывания реле в случае, если сетевое напряжение находится на границе срабатывания защиты.
Устройство включается переключателем SA1. Переменное напряжение, снимаемое со второй обмотки (22-23) трансформатора Т2, используется для контроля уровня напряжения. Оно преобразуется в постоянное (VD7) и через делитель R8-R7 подается на входы компараторов DA2/2, DA3/3. Их пороги срабатывания устанавливаются: на превышение допустимого напряжения резистором R4, а на снижение — подстройкой R6.
В компараторах используются эмиттерные выходы внутренних транзисторов, что обеспечивает их совместную работу на одну нагрузку — R10. На резисторе R10 будут появляться импульсы или положительное напряжение (уровень лог. "1" для триггеров DD1) в момент нахождения сетевого напряжения на уровне порога или за его пределами.
Узел задержки включения работает следующим образом. Если сетевое напряжение находится в пределах допуска — на R10 будет нулевой уровень. При первоначальном включении цепь из С7 и R10 за счет тока, проходящего при зарядке С7, формирует короткий импульс начальной установки триггера DD1.2 (на выходе DD1/1 при этом будет лог. "0"). Аналогичная цепь из элементов C9-R11 формирует более широкий импульс на входе DD1/8 (на DD1/13 появится лог. "1"). Как только через резистор R12 зарядится конденсатор С8 (появится лог. "1" на входе R) — триггер DD1.1 вернется в исходное состояние (DD1/12 — "1", DD1/13 — "О"). При этом положительный фронт импульса на входе DD1/3 (при наличии уровня лог. "1" на DD1/5) переключит триггер DD1.2 и на выходе DD1/1 появится лог.
"1". При этом реле К1 включится и своими контактами К1.1-К1.2 подаст сетевое напряжение в нагрузку.
Если же сетевое напряжение находится на краю допуска или за его пределами — в момент включения схемы (SA1) на резисторе R10 будут присутствовать соответственно импульсы или лог. "1" и на выходе DD1/13 появится лог. "0". В этом случае триггер DD1.2 не включит репе.
При изготовлении устройства использованы детали: постоянные резисторы типа МЛТ; подстроенные R4, R6 типа СПЗ-19а; конденсаторы С1...СЗ типа К42У-2 на 630 В; С4 — К52-11 на 32 В; С5, С6 — типа К50-35 на 25 В; С7...С9 — К10-17. Можно отметить, что схема не критична к выбору номиналов элементов и для ее сборки могут применяться резисторы и конденсаторы ближайших значений из ряда.
Так как КМОП микросхемы обладают малой нагрузочной способностью, для включения реле используется транзистор VT1 с большим коэффициентом усиления. Его можно заменить на КТ972.
Светодиоды HL1, HL2 подойдут любые из серии КИПД.
Конструктивно все элементы схемы блока управления А1 расположены на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1...3 мм с размерами 85х60 мм, рис. 1.6. Плата имеет три объемных перемычки, что делает проще ее изготовление (разводку проводников).
Для удобства соединения платы с внешними цепями установлен разъем Х1 типа МРН14 (на печатной плате вилка). Гнезда XS1...XS3, так же как и сетевая вилка ХР1, должны соответствовать евростандарту, а число гнезд может быть увеличено до нужного количества.
Реле К1 типа ТКЕ54ПОД или более современные из серии РНЕ44. Если блок будет использоваться только для питания компьютерных устройств, то может быть использовано также реле типа РЭН33.
Трансформатор Т1 является дросселем и изготавливается самостоятельно на броневом магнитопроводе типоразмера ШЛ25х20 (сечение железа в месте расположения обмоток 25х20 мм). Обе обмотки содержат по 60...70 витков проводом ПЭЛ-2 диаметром 0.8...1,0 мм. А для того чтобы обеспечить симметричность обмоток — число витков в них должно быть одинаковым. Намотка выполняется на каркасе со средней перегородкой, рис. 1.7. Перегородка позволя-
ет исключить пробой изоляции между проводами обмоток. Такой дроссель фильтра дает возможность подключать к гнездам XS1...XS3 нагрузку с общей мощностью до 2 кВт.
Трансформатор Т2 взят унифицированный типа Уа4.709.066 (ОСТ 25-99-71), но подойдут и многие другие из серии ТПП с напряжением во вторичных обмотках: (12-13) — 20...24 В (0,2 А) и (22-23) — 5...7 В (0,01 А). Его мощность должна быть не меньше 9 Вт.
Вся схема блока защиты потребляет от сети ток не более 30 мА.
При желании в устройстве легко можно сделать автоматическое отключение (в случае аварийной ситуации) не только внешней нагрузки, но и самой схемы блока защиты. Для этого потребуется внести в схему изменения, приведенные на рис. 1.8. Вместо переключателя SA1 устанавливаем кнопки SB1 и SB2, а также подключаем одну свободную группу контактов реле К1.3, как это показано на
Трансформатор Т2 взят унифицированный типа Уa4.709.066 (ОСТ 25-99-71), но подойдут и многие другие из серии ТПП с напряжением во вторичных обмотках: (12-13) — 20...24 В (0,2 А) и (22-23) — 5...7 В (0,01 А). Его мощность должна быть не меньше 9 Вт.
Вся схема блока защиты потребляет от сети ток не более 30 мА.
При желании в устройстве легко можно сделать автоматическое отключение (в случае аварийной ситуации) не только внешней нагрузки, но и самой схемы блока защиты. Для этого потребуется внести в схему изменения, приведенные на рис. 1.8. Вместо переключателя SA1 устанавливаем кнопки SB1 и SB2, а также подключаем одну свободную группу контактов реле К1.3, как это показано на
напряжение, пропорциональное току в нагрузке. Это напряжение выпрямляется диодным мостом (VD1) и поступает через резистор R5 на управляющий электрод тиристора VS2. Если данное напряжение достигнет уровня, необходимого для срабатывания тиристора VS2, он откроется. В этом случае VS2 через диод VD2 закорачивает цепь заряда конденсатора С2 и автогенератор перестанет работать. Когда импульсы, управляющие коммутатором VS1, пропадут — нагрузка отключится и начнет светиться индикатор (HL1) работы защиты.
В этом состоянии схема может находиться долгое время и чтобы вернуть ее в исходное, необходимо нажать кнопку SB1. А с помощью кнопки SB2 нагрузку можно при необходимости отключить вручную. Общим выключателем является также SA1.
Чувствительность срабатывания схемы можно плавно регулировать при помощи резистора R3. Конденсатор С1 предохраняет от срабатывания защиты при кратковременных помехах в сети.
Токовый трансформатор Т1 потребуется изготовить самостоятельно. Для намотки удобно использовать каркас и магнитопровод от любого трансформатора, применяемого в старых отечественных телефонах. Подойдет магнитопровод из железа или феррита М2000НМ типоразмера Ш5х5 (в месте расположения катушки у него сечение 5х5 мм). При этом обмотка 3-4 выполняется проводом ПЭЛ диаметром 0,08 мм и содержит 3000...3400 витков. Последней наматывается обмотка 1-2 проводом ПЭЛ-2 диаметром 0,82...1,0 мм — 30...46 витков.
Импульсный трансформатор Т2 выполнен внутри броневого магнитопровода типоразмера Б14 из феррита с магнитной проницаемостью М2000НМ. Его конструкция показана на рис. 1.43. В центре сердечника необходимо обеспечить зазор 0,1...0,2 мм, что исключит его намагничивание в процессе работы. Обмотка 1 содержит 80 витков, 2 — 40 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,1...0,12 мм.
В схеме использованы детали: подстроенный резистор R3 типа СПЗ-19а, остальные резисторы любого типа; конденсаторы С1, СЗ типа К50-35 на 25 В; С2 и С4 — К73-17В на рабочее напряжение не менее 63 и 400 В соответственно. Кнопки SB1, SB2 и светодиод HL1 подойдут любые миниатюрные.
Настройку схемы лучше начинать с проверки работы автогенератора собранного на транзисторе VT1. Для этого удобно питание подавать не от сети, а использовать внешний источник постоянного напряжения 15...20 В, подключив его в точки а-б.
При работе автогенератора на конденсаторе С2 должно быть напряжение, форма которого показана на рис. 1.10. Если таких импульсов нет, то может потребоваться подбор номинала резистора R2.
Срабатывание тиристора VS2 при нажатии на кнопку SB2 должно фиксироваться. Если светодиод HL1 постоянно не светится
после отпускания кнопки — надо уменьшить номинал резистора R4 для увеличения тока, необходимого, чтобы удерживать V32 в открытом состоянии.
Проверить работу устройства можно, подключив к гнездам XS1 лампу и стрелочный вольтметр. Прежде всего необходимо убедиться в том, что симистор VS1 полностью открывается (измерив напряжение на лампе). Если это не так, то нужно поменять местами выводы в любой из обмоток импульсного трансформатора Т2.
Схему электронного предохранителя можно упростить, убрав токовый трансформатор Т1, а вместо его обмотки 1-2 использовать резистор (R10) с маленьким сопротивлением (0,2...0,3 Ом) и диод, рис. 1.11. Величина сопротивления R10 подбирается под нужный ток защиты. Но в этом случае схема защиты будет работать на одной полуволне сетевого напряжения, что, естественно, может снизить быстродействие при отключении нагрузки.
При использовании схемы следует учитывать, что некоторые потребители энергии, например лампы, импульсные источники питания, электромоторы и некоторые другие, в момент включения дают бросок тока. В этом случае порог срабатывания защиты надо увеличивать или, что будет значительно лучше, принять меры по уменьшению броска тока в нагрузке. Например, для лампы освещения можно обеспечить режим плавного увеличения напряжения при включении. Это не только продлит ее срок службы, но и уменьшит помехи в сети.
Простейший способ уменьшения броска тока при включении лампы — применение защитных терморезисторов с отрицательным
температурным коэффициентом сопротивления. В настоящее время такие резисторы, например из серии ТР-15, выпускает отечественная промышленность. Эти резисторы позволяют сглаживать пусковые броски тока в лампах накаливания, кинескопах, импульсных источниках питания, электромоторах и других устройствах в 5...10 раз. В рабочем режиме торморезисторы нагреваются проходящим через них током до температуры 150...200"С. При этом они уменьшают свое сопротивление более чем в 100 раз.
Так, например, для защиты ламп накаливания мощностью 100...200 Вт подойдет терморезистор типа ТР-15-470-1,6 (номинальное сопротивление при 25°С — 470 Ом, а в прогретом состоянии 4,3 Ом). Для мощности лампы 25...100 Вт — ТР-15-1000-1,6 (номинальное сопротивление при 25°С — 1000 Ом, в прогретом состоянии 9,2 Ом).
Рис. 1.10 Форма напряжения на конденсаторе С2
Рис. 1.11 Возможные изменения в схеме
Рис. 1.4 Общая схема автомата, где А1 - блок управления
Рис. 1.5 Электрическая принципиальная схема блока управления А1
Рис. 1.6 Топология печатной платы и расположение элементов блока А1
Рис. 1.7 Вид конструкции трансформатора Т1 (без элементов крепления)
Рис. 1.7 Вид конструкции трансформатора Т1 (без элементов крепления)
Рис. 1.8 Возможное изменение схемы для замены включателя SA1 кнопками
Рис. 1.8 Возможное изменение схемы для замены включателя SA1 кнопками
Рис. 1.9 Электрическая принципиальная схема электронного предохранителя
3. Регуляторы мощности для активной нагрузки
Регуляторы мощности для активной нагрузки
При эксплуатации сетевого паяльника, осветительной лампы, электронагревателей и ряда других потребителей энергии, удобно иметь возможность управлять поступающей на них мощностью. Для таких устройств, как правило, не требуется иметь регулировку подаваемого напряжения от нуля. Ведь паять холодным паяльником невозможно, а у осветительной лампы при малом напряжении отчетливо заметен мерцающий эффект, что утомляет зрение.
На рис. 1.12 приведена схема простого электронного регулятора, работающего на одной полуволне сетевого напряжения. За счет этого она обеспечивает регулировку напряжения в диапазоне 110...215 В.
Если тиристор VS1 полностью закрыт, в нагрузку через диод VD1 будет проходить только один полупериод сетевого напряжения. Для открывания тиристора на его управляющий электрод поступают короткие импульсы. Их вырабатывает автогенератор, собранный на однопереходном транзисторе VT1. Частота импульсов такого генератора синхронизирована с частотой сети за счет пульсирующего напряжения питания на VT1. А сами импульсы имеют фазовый сдвиг относительно момента времени перехода сетевого напряжения через "0". Величина сдвига зависит от номиналов конденсатора С1 и резисторов R5-R6. Регулируя R6, можно менять момент открывания тиристора, а значит и действующее выходное напряжение в нагрузке (форма напряжения для активной нагрузки значения не имеет).
При настройке схемы может потребоваться подбор резистора R5 с таким расчетом, чтобы при нулевом сопротивлении R6 в нагрузку поступало максимальное напряжение.
В схеме применены детали: резисторы типа МЛТ или аналогичные (их мощность указана на схеме); конденсатор С1 типа К10-17.
Диод VD1 заменяется любым на ток не менее 3...5 А, например КД257Б; VD2 — на ток до 100 мА. Тиристор VS1 можно использовать Т122-25-6 или Т112-10-6, Т112-16-6.
Максимальная мощность подключенной нагрузки к регулятору определяется допустимым током через диод VD1 и тиристор VS1 (их лучше выбирать с двойным запасом по току). Для схемы с указанными на ней элементами мощность нагрузки Рнагр=500 Вт (в этом случае теплоотвод для силового коммутатора VS1 не нужен). При установке диода VD1 на больший ток мощность нагрузки можно увеличить до 2 кВт.
Для монтажа элементов схемы приведена топология печатной платы, рис. 1.13.
Схема, показанная на рис. 1.14, работает аналогично описанной выше, но при включении, когда регулятор R5 установлен в положение на максимальное выходное напряжение, за счет применения дополнительных элементов VT2, VT3 и С2 обеспечивает ступенчатое увеличение яркости в течении 1...2 с. Процесс прогрева нити накала лампы инерционен и увеличение его времени снижает импульсную перегрузку.
Рис. 1.12 Электрическая принципиальная схема регулятора мощности
Рис. 1.13 Топология печатной платы регулатора
Рис. 1.14 Схема регулятора со ступенчатым увеличением мощности
4. Электронный регулятор для электроинструмента с плавным пуском
Электронный регулятор для электроинструмента с плавным пуском
Удобным, а иногда и просто необходимым, элементом современного электроинструмента, такого как электродрель, электропила, болгарка, электролобзик, электромясорубка и многих других, является регулятор скорости вращения электромотора. В самых дешевых моделях таких регуляторов нет вообще, а в дорогих устанавливаются простейшие миниатюрные встроенные в ручку. Габариты такого устройства не позволяют обеспечить необходимый запас по мощности и при интенсивной работе или заклинивании инструмента они часто выходят из строя.
Кроме того, мощный электроинструмент имеет большие пусковые токи, что вредно не только для самого инструмента, но и для других подключенных к сети электроприборов из-за возникающих при этом помех. Чтобы пусковой ток снизить, необходим электронный регулятор с режимом плавного возрастания питающего напряжения при включении.
Чем лучше заменить вышедший из строя регулятор? В литературе приведено много разных схем электронных регуляторов, но среди них довольно редко встречаются схемы, обеспечивающие режим плавного возрастания выходного напряжения. А те из них, в которых такой режим имеется [Л4, Л5], для питания электроинструмента не удобны. Это объясняется тем, что, как правило, в них плавность нарастания напряжения обеспечивается при помощи заряда конденсатора. Этот конденсатор также медленно разряжается. И если при работе с электроинструментом приходится его часто включать-выключать, то такой регулятор не обеспечивает плавного пуска мотора из-за инерционности.
Всех этих недостатков лишена электрическая схема, приведенная на рис. 1.15. Она обеспечивает плавный пуск мотора, а также плавную регулировку скорости в широких пределах. Кроме того, данная схема практически не имеет инерционности, т.е. при повторном включении сразу после отключения выходное напряжение все равно будет постепенно плавно возрастать.
Устройство выполняется в виде отдельной приставки, через которую питается электроинструмент. Это позволяет сделать его универсальным — обеспечивается возможность подключения нагрузки
мощностью до 5...10 КВт. Включается схема в работу при помощи кнопки на самом инструменте, что удобно при эксплуатации.
Схема работает следующим образом. Регулировка поступающего в нагрузку напряжения выполнена за счет изменения угла открывания оптронного симистора VS1. При этом управляющие открыванием коммутатора (VS1) импульсы формирует автогенератор, собранный на элементах VT1-C1-R3-R1 (в установившемся режиме полевой транзистор VT2, стоящий в цепи заряда С1, полностью открыт и имеет маленькое сопротивление сток-исток).
Открывающие силовой оптронный симисторный коммутатор импульсы синхронизированы с частотой сети за счет пульсирующего напряжения питания, подаваемого на автогенератор. А момент времени их формирования зависит от положения регулятора R1.
Для открывания симистора при любой окружающей температуре через его внутренний светодиод должен проходить ток не менее 80...100 мА. Использование однопереходного транзистора позволяет иметь источник питания схемы управления небольшой мощности, так как необходимая для открывания симистора энергия накапливается на конденсаторе С1 и отдается в течении короткого импульса.
Режим плавного пуска при включении обеспечивается с помощью счетчика на микросхеме DD1 за счет изменения сопротивления сток-исток полевого транзистора VT2. В начальный момент на вход "С" микросхемы DD1 через резистор R8 поступают импульсы сетевой пульсации. На выходах счетчика будут последовательно появляться уровни лог. "1". Это напряжение суммируется с установленным под-строечным резистором R14 уровнем. После того, как лог. "1" появится на выходе DD1/15, через диод VD3 сигнал поступит и на DD1/10. При этом микросхема DD1 перестает считать импульсы и зафиксируется в таком состоянии.
Схема настраивается так, чтобы транзистор VT2 был при этом полностью открыт, а микросхема в дальнейшем на работу устройства влияния не оказывала.
Для того чтобы при повторном включении устройства обеспечить работу счетчика с нуля — цепь из элементов C2-R10 выполняет формирование короткого импульса на входе R счетчика DD1 для его обнуления в начальный момент при подаче питания.
Из-за разброса параметров применяемых транзисторов элементы, отмеченные на схеме звездочкой "*", потребуется подбирать при регулировке.
Настройку устройства лучше начинать с автогенератора. Для этого вместо электромотора подключаем любую осветительную лампу и стрелочный вольтметр. Резистором R14 добиваемся, чтобы транзистор VT2 был полностью открыт. Установив регулятор R1 на нулевое сопротивление подбором номинала резистора R3 в диапазоне 3,6...6,8 кОм, добиваемся максимального напряжения в нагрузке (на лампе). При этом с помощью резистора R1 оно должно регулироваться от нуля до максимума.
Настройку узла плавного увеличения напряжения удобнее выполнять в следующей последовательности. Временно отсоединяем у диода VD3 анод от вывода DD1/15 микросхемы и переключаем его на DD1/13. Подстройкой резистора R14 добиваемся на нагрузке напряжения примерно около 70 В (при меньшем напряжении мотор дрели будет гудеть, но не сдвинется с места). Делать это надо при нулевом сопротивлении R1. Теперь, последовательно переключая анод диода на выходы 12 и 14, добиваемся при помощи подбора номиналов резисторов R11 и R12 получения промежуточных значений напряжения: 110 и 170 В соответственно. После этого можно проверить работу схемы в том виде, как она показана на рисунке.
При включении настроенной схемы в начальный момент счетчик в точке соединения резисторов R11-R12-R13-R14 формирует возрастающее ступеньками напряжение. Более плавным изменение напряжения делает конденсатор СЗ. Это напряжение управляет сопротивлением исток-сток в полевом транзисторе VT2.
В схеме применены детали: регулировочный резистор R1 типа СПЗ-4а, подстроечный R14 — СПЗ-19а, постоянные резисторы МЛТ;
конденсаторы С1, С2 -К10-17; СЗ, С4 — К50-35 на 25 В.
Все элементы схемы, выделенные пунктиром, размещены на односторонней печатной плате из стеклотекстолита размером 100х30 мм, рис. 1.16. Плата содержит одну объемную перемычку — она показана пунктиром.
В данном устройстве в качестве силового регулятора VS1 вместо оптронного симистора можно использовать и обычный из серии ТС112 или ТС122, но в этом случае потребуется изготовить гальванически развязывающий цепи импульсный трансформатор Т1. Его под
ключение показано на рис. 1.17. Трансформатор Т1 наматывается проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм на ферритовом М2000Л4000НМ1 кольце типоразмера К20х12х6 мм и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 60 витков.
Перед намоткой острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, иначе они могут прорезать провод. Обмотки лучше располагать раздельно на сердечнике. После намотки и пропитки катушки лаком необходимо убедиться в отсутствии сопротивления между обмотками.
Рис. 1.17. Изменение в схеме для подключения обычного симистора
В заключение можно отметить что для того чтобы обеспечить защиту электроинструмента от повреждения в случае перегрузки — в разрыв цепи питания схемы регулятора можно установить токовый электромеханический автомат на нужный ток. Он может использоваться также как включатель. В продаже таких устройств имеется всегда большой выбор.
Рис. 1.15. Принципиальная схема электронного регулятора для электроинструмента с плавным пуском
Рис. 1.16. Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 1.17. Изменение в схеме для подключения обычного симистора
5. Простой фазоуказатель
Простой фазоуказатель
Нередко при подключении электрических устройств, питающихся от трехфазного напряжения, бывает необходимо знать порядок расположения фаз. Под правильной фазировкой подключения понимается положение когда по отношению к проводу, условно принятому за фазу А, положительный максимум напряжения наступает сначала в фазе В, затем в С, после чего снова в А, и т.д., как это показано на рис. 1.18.
Если при подключении асинхронного трехфазного электромотора нужное направление вращения можно получить, поменяв местами любые два подходящих провода, то эксперименты при подключении схемы мощного электропривода без соблюдения заданной фазировки могут привести к его повреждению.
Простое устройство, схема которого приведена на рис. 1.19, позволяет легко определить последовательность фаз. В отличии от фазоуказателя промышленного изготовления, данное не содержит вращающихся частей и имеет меньшие габариты, что более удобно. Кроме того, он работает в любом положении. Светящаяся лампа (одна из двух) покажет, к какому проводу фазоуказателя подключена фаза В. Если же светятся одновременно две лампы, то это говорит об отсутствии соединения в цепи А.
Работа устройства основана на использовании свойств комплексного значения сопротивления конденсатора (фазовый сдвиг проходящего через него напряжения).
Подробно принцип работы данного устройства и его математическое обоснование описано в литературе [Л6]. В случае если проводимости цепей конденсатора и лампы на частоте 50 Гц выбраны
одинаковыми, то в результате векторного сложения напряжения в цепи R1-HL1, подключенной к фазе В, будет действовать напряжение 1,4Uф, а в цепи фазы С — 0,4Uф, где Uф — фазное напряжение в проводах. Но так как используемые лампы обладают нелинейным сопротивлением, которое в десятки раз выше в нагретом состоянии, то светиться будет только одна лампа, которая подключена к фазе В.
В конструкции применены конденсаторы С1, С2 типа К73-17 на 630 В, резисторы R1...R4 типа МЛТ-2 (с рассеиваемой мощностью не менее 2 Вт). Их сопротивление может быть 7,5 кОм или 8,2 кОм. Лампы HL1, HL2 любые малогабаритные (индикаторные) на рабочее напряжение 28 В и мощностью 2,8 Вт (сопротивление лампы около 50 Ом).
При использовании указанных деталей схема конструктивно легко помещается в диэлектрической (пластмассовой) коробке с размерами 65х60х25 мм, рис. 1.20. Из нее выходят три толстых провода
с острыми концами. В качестве контактных проводов лучше использовать изолированные одножильные (медные) с сечением 2,5...4 мм кв., например типа ПВ-3. Они обеспечат достаточную жесткость для прижима к токопроводящим цепям. А в случае необходимости — легко изгибаются в нужном направлении. Это позволяет проводить измерение только одной рукой.
Для удобства использования фазоуказателя лампы HL1 и HL2 лучше располагать рядом с соответствующим контактным проводом. В этом случае место, где будет светиться индикаторная лампа, соответствует фазе В.
Аналогичное по принципу работы устройство, но более малогабаритное, можно собрать по схеме, показанной на рис. 1.21. В ней в качестве индикаторов фазы "В" могут использоваться две одинаковые неонки любого типа. Электрическая схема содержит больше радиоэлементов, но все они малогабаритные, так как работают при меньшем токе, что позволяет использовать малогабаритные резисторы (меньшей мощности).
Резистор R3 не является обязательным, но он позволяет исключить сохранение на конденсаторах С1, С2 остаточного заряда (аналогично его можно установить и на схеме рис. 1.19).
Конденсаторы подойдут любого типа с допустимым обратным напряжением не менее чем 500 В, например К42У-2 на 630 В.
При изготовлении устройства может потребоваться подбор номиналов резисторов R2 и R5 для того чтобы исключить одновременное свечение индикаторов.
Рис. 1.18 График и векторная диаграмма трехфазного няпряжения
Рис. 1.19 Электрическая схема фазоуказателя
Рис. 1.20 Конструкция фазоуказателя
Рис. 1.21 Вариант схемы фазоуказателя
6. Тестер для контроля энергоемкости элементов питания
Тестер для контроля энергоемкости элементов питания
В продаже всегда есть большой ассортимент элементов питания. При этом многие из них не имеют маркировку со сроком годности или месяцем изготовления. Продавец тоже не всегда может ответить на эти вопросы.
Даже если батарейка не просрочена, ее энергоемкость зависит от условий хранения. Кроме того, красивая упаковка не всегда является признаком высокого качества самого элемента питания — в продаже много подделок под хорошо известные фирмы добросовестных производителей.
В журналах приводится немало простых схем для испытания гальванических элементов [Л7, Л8]. Такие устройства предназначены для ограниченного числа типов батарей и позволяют только оценить два состояния: годен — не годен. Конечно, это тоже полезно, но хотелось бы иметь информацию о фактической емкости заряда элемента питания. Что позволит их сравнивать между собой по качеству.
В принципе, проверить энергоемкость любого элемента питания можно при помощи стрелочного тестера с пределом измерения тока до 5...6 А и напряжения на шкале 1,5 В. Такой предел для измерения тока имеют только некоторые из универсальных тестеров, например: Ц4312, Ц4317, Ц4352. В карман этот прибор не положишь (он весит от 1,5 до 2 кг), да и при измерении возникают некоторые неудобства, особенно с миниатюрными элементами для питания часов — они стараются выскользнуть из рук.
Для проверки качества гальванического элемента питания и оценки его энергоемкости достаточно выполнить два измерения:
1) подключить нагрузку и измерить напряжение на элементе — оно должно превышать 1,2 В. При этом для каждого типа элемента используется свое сопротивление нагрузки.
2) кратковременно (на 1...3 с) к выводам элемента питания подключить тестер в режиме измерения тока (на максимальном пределе). В зависимости от типа элемента и его состояния ток в цепи может достигать 5...6 А.
Измерение напряжения на элементе без нагрузки не дает достоверного результата. Не работающий (разряженный или высохший) элемент в режиме "холостого хода" часто может выдавать номинальное напряжение. Исключением является явный брак, когда напряжения нет вообще.
По значению тока, когда батарейка работает в режиме, близком к короткому замыканию, можно оценить емкость имеющегося заряда, а также внутреннее сопротивление элемента (именно внутреннее сопротивление ограничивает возрастание тока до бесконечности). Это позволяет сравнивать их между собой, выбирая наилучший по максимальному току.
Режим короткого замыкания для батарейки или аккумулятора должен быть кратковременным (до 3 с), чтобы не повредить из-за перегрева, так как большая часть мощности при этом рассеивается на внутреннем сопротивлении элемента. Сопротивление же внешней измерительной цепи для тока в этом случае, как правило, значительно меньше внутреннего сопротивления.
Простейшее устройство, рис. 1.22, предназначено для быстрой проверки напряжения и емкости, что дает возможность легко оценить качество приобретаемого гальванического элемента питания или степень заряда аккумулятора с номинальным напряжением 1,2...1,5 В. Это позволит в магазине выбрать батарейку, которая прослужит значительно дольше, а также выявить явный и скрытый брак.
Следует знать, что аккумуляторы обычно продаются в магазине не заряженными и их нужно проверять уже после зарядки.
Для удобства подключения устройство имеет четыре пары контактных зажимов Х1...Х8 под установку разных типоразмеров элементов питания: миниатюрных гальванических для часов, R6 (элемент 316), R14 (343) и R20 (373). Конструкция зажимов зависит от того, с какими элементами чаще всего приходится иметь депо (их можно приобрести уже готовые).
Пользоваться устройством довольно просто. Схема состоит из измерителя напряжения и тока. При установке проверяемого элемента (соблюдая полярность) в соответствующие зажимы стрелочный измерительный прибор РА1 будет показывать напряжение "холостого хода". Для новой батарейки оно должно быть около 1,5 В (у заряженного аккумулятора 1,2...1.5 В).
При помощи переключателя SA1 ("нагрузка") устанавливаем нужную нагрузку для конкретного элемента и нажимаем кнопку SB3 (U). Прибор РА1 будет показывать напряжение на элементе в рабочем состоянии. Оно не должно сильно уменьшаться по сравнению с предыдущим режимом.
Номиналы сопротивлений R6...R10 подбираются с учетом максимального допустимого тока через элементы. Значение разрядного тока в цепи выбраны из условия не более 0,1Q, где Q — энергоемкость, выраженная в ампер-часах. Так как на самом элементе часто не указывают энергоемкость, то, чтобы сориентироваться, какую нагрузку следует использовать, можно воспользоваться табл. 1.1.
Более подробная информация по гальваническим источникам питания и их особенностях приведена в литературе [например, Л24 стр. 220; Л25; Л26].
Энергоемкость у элемента можно проверить при помощи двух кнопок "ток". При нажатии кнопки SB1 или SB2 индикатор РА1 работает как амперметр со шкалой измерения 5 или 1 А соответственно. Обычно приходится пользоваться кнопкой SB2 (шкала 1 А) для проверки миниатюрных элементов, применяемых в часах.
По показаниям тока легко оценить реальную емкость заряда у элементов и сравнивать их между собой. При этом если ток начинает сильно "ползти" вниз (уменьшаться) — это говорит о браке. Такой элемент долго работать не будет.
Диоды VD1, VD2 предотвращают повреждение стрелочного индикатора при неправильной полярности подключения гальванического элемента.
В качестве индикатора РА1 можно использовать стрелочный микроамперметр с током полного отклонения 150 или 100 мкА, например М4247, М4248. Подойдет также любой другой малогабаритный индикатор от бытовых приборов, например М476.
Таблица 1.1. Параметры элементов питания
|
Типоразмер по МЭК |
Обозначение отечественного аналога |
Габаритные размеры в мм: диаметр и длина |
Энергоемкость в ампер-часах |
|
SR41 |
СЦ-0,038 |
7,9х3,6 |
38...45 |
|
SR42 |
СЦ-0,08 |
11,6х3,6 |
80...100 |
|
SR43 |
СЦ-0,12 |
11,6х4,2 |
110...120 |
|
SR44 |
СЦ-0,18 |
11,6х5,4 |
130...190 |
|
R6 |
316 |
14,5х50,5 |
0,45...0,85 |
|
LR6 |
А316 |
14,5х50,5 |
1,0...3,7 |
|
R14 |
343 |
26,2х50 |
1,53...1,76 |
|
LR14 |
А343 |
26,2х50 |
3,0...8,2 |
|
R20 |
373 |
34,1х61,5 |
2,0...4,0 |
|
LR20 |
А373 |
34,1х61,5 |
5.5...16,0 |
Остальные детали: резисторы могут быть любого типа соответствующей мощности, например R1...R3 типа С5-16МВ. Кнопки SA1...SA3 типа КМ2-1 (КМ1-1). Микропереключатель SA1 типа ПГ2-6-6П2НВ или ПГ2-6-12П1НВ.
При изготовлении устройства настройка прибора начинается с установки подбором номинала резистора R5 полного отклонения стрелки микроамперметра РА1 при напряжении 1,5 В на контактных зажимах.
Для режима измерения тока регулировку выполняем сначала при нажатой кнопке SB2 — резистором R4 добиваемся полного отклонения стрелки при токе в цепи 1 А. После этого нажимаем кнопку SB1 и подбираем номинал резистора R1 так, чтобы полное отклонение стрелки индикатора было при токе в цепи 5 А и напряжении на зажимах 1 В.
Рис. 1.22 Принципиальная электрическая схема тестера
7. Генератор для ремонта радиоаппаратуры
Генератор для ремонта радиоаппаратуры
При ремонте в домашних условиях звукового усилителя или бытового радиоприемника нередко бывает необходимо проследить прохождение сигнала через каскады. В этом может помочь приведенная на рис. 1.23 схема простого двухчастотного генератора. Он собран всего на одной КМОП микросхеме и не содержит намоточных узлов. Что делает устройство удобным в изготовлении, настройке и эксплуатации.
Этот генератор дает возможность проверить не только звуковой усилитель, но и тракт усилителя промежуточной частоты (УПЧ) радиоприемника. Генератор позволяет также подстроить контуры ПЧ радиоприемника по максимальному уровню сигнала.
На выходе (Х2) устройства будут радиоимпульсы с частотой 465 кГц, модулированные низкочастотным сигналом — 1 кГц (100% модуляция). При этом если включить SA1, то на выходе появится только низкочастотный сигнал — импульсы с частотой 1 кГц.
Высокочастотный генератор работает на частоте 465 кГц и для получения у него высокой стабильности выполнен с использованием пьезокерамического фильтра (ZQ1) типа ФП1П-022 в цепи отрицательной обратной связи элемента микросхемы DD1.2. Такие фильтры более доступны и дешевле, чем кварцевые резонаторы на соответствующую частоту.
Генератор импульсов звукового диапазона (DD1.1-DD1.3) собран по классической схеме и в пояснениях не нуждается. На элементе DD1.4 две частоты смешиваются и поступают на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT1. Транзистор согласует высокое выходное сопротивление микросхемы с возможным малым сопротивлением в цепи нагрузки.
Генератор обеспечивает работу в широком диапазоне питающих напряжений (4...15 В) и потребляет ток 3,7...26 мА. При этом частота высокочастотного автогенератора меняется во всем диапазоне питающих напряжений не более чем на 400 Гц, что вполне допустимо.
Для того чтобы уровень выходного сигнала автогенератора сильно не зависел от напряжения питания схемы — на выходе стоит ограничительный диод VD1. Выходной сигнал после конденсатора С4 будет иметь максимальную амплитуду около 0,3 В, а при помощи резистора R6 его можно уменьшить до необходимой величины.
Диод VD2 предотвращает ошибочную подачу полярности питающего напряжения на схему.
В схеме можно использовать пьезофильтр (ZQ1) типа ФП1П-022...027. Регулировочный резистор R6 типа СПО-0,5, а остальные резисторы МЛТ и С2-23. Конденсаторы: С1 — К53-1 на 16 В;
С2...С4—К10-17.
Схема достаточно простая, что легко позволяет выполнить ее монтаж на универсальной макетной плате.
Настройка заключается в установке подбором резистора R2 (при замкнутых контактах SA1) частоты 1 кГц на выходе. После этого по частотомеру проверяем частоту 465 кГц ±0,5 кГц.
Для того чтобы было удобно измерить частоту — модуляцию ВЧ сигнала отключаем, что можно сделать подачей на выводы DD1/12, 13 напряжения питания.
Если из-за разброса параметров логических элементов (внутренней емкости микросхемы) пьезофильтр ZQ1 работает не точно на частоте 465 кГц, то может потребоваться установка дополнительного конденсатора С2 емкостью около 100...470 пФ, а также подбор резистора R3, что позволит сдвинуть рабочую частоту генератора в небольших пределах.
Рис. 1.23 Принципиальная электрическая схема двухчастотного генератора
8. Музыкальный звонок с автоматической сменой мелодии
Музыкальный звонок с автоматической сменой мелодии
Во многих квартирах для вызова хозяина используется музыкальный звонок. Такое устройство не сложно изготовить самостоятельно. При этом оно ничем не будет уступать выпускаемым промышленностью, но обойдется значительно дешевле.
В журналах встречается немало схем музыкальных звонков, например [Л17]. Такое устройство удобно выполнять на специализированной микросхеме звукового синтезатора из серии УМС. Эти микросхемы выпускаются с несколькими запрограммированными мелодиями, которые можно переключать, подавая напряжение на вход "выбор мелодии". Принцип работы такой микросхемы подробно описан в литературе [Л 18].
В отличии от уже опубликованных вариантов музыкальных сигнализаторов, в приведенной на рис. 1.24 схеме не требуется использовать дополнительную кнопку для переключения мелодии. Смена мелодии происходит автоматически при каждом очередном нажатии на кнопку звонка (SB1). Каждая мелодия будет звучать, пока нажата кнопка.
Для усиления звукового сигнала использован транзистор VT2. Резистор R5 позволяет регулировать громкость звукового сигнала в широких пределах.
Согласование выходного сопротивления схемы с малым сопротивлением катушки звукового излучателя выполнено при помощи трансформатора Т2. Кроме того, применение трансформатора позволяет исключить протекание через динамик постоянной составляющей тока, что улучшает его работу.
В качестве звукового излучателя ВА1 может применяться любой обычный динамик. Динамиков допускается подключать несколько и их размещаем в удобных местах квартиры.
Нужный тембр звучания настраивается подбором конденсатора СЗ. Этот конденсатор совместно с первичной обмоткой трансформатора Т2 образует колебательный контур, включенный в цепь коллектора транзистора VT2. Этот контур позволяет не только увеличить громкость звучания, но и делает звук более приятным. Ведь на управление VT2 приходят прямоугольные импульсы, которые содержат много высокочастотных гармоник, а трансформатор и цепь его контура являются фильтром.
Так как добротность образованного в цепи коллектора VT2 контура довольно низкая, то динамик ВА1 будет воспроизводить все ноты мелодии, запрограммированной в микросхеме.
При нажатии на кнопку SB1 подается питание на схему и будет звучать мелодия. Так как микросхема УМС8-08 имеет допустимый диапазон питающих напряжений 1,33...2 В, на диодах VD1...VD4 выполнен низковольтный стабилизатор напряжения. После диода VD5 на конденсаторе С1 будет напряжение 2 В. Это напряжение на С1 сохраняется длительное время и после отпускания кнопки SB1 (даже если элемент питания G1 не устанавливать). Что объясняется тем, что микросхема изготовлена по КМОП технологии и в рабочем режиме потребляет мало, а при снижении напряжения питания ниже 1 В переходит в заторможенное состояние. Потребляемый ток в этом режиме не превышает 1 мкА. Такое состояние сохраняется довольно долго.
При очередном нажатии на кнопку SB1 напряжение подается при помощи транзистора VT1 на входы 6 и 13 микросхемы DD1. Так как эти цепи объединены ("пуск" — вывод 6 и "выбор мелодии" — вывод 13) и через открытый транзистор VT1 соединены с цепью питания микросхемы, то кнопка SB1 позволяет не только включать мелодию, но и сменить ее при очередном нажатии.
В ждущем режиме устройство не потребляет энергию от сети, а элемент питания G1 не является обязательным (может не устанавливаться), но в этом случае время сохранения последней выбранной мелодии будет ограничено.
Все детали, выделенные на схеме пунктиром, расположены на печатной плате размером 55х55 мм, показанной на рис. 1.25. Микросхему DD1 удобнее установить на контактной панели, что в дальнейшем позволит сменить набор мелодий без перепайки платы легко заменив только саму микросхему.
Динамик ВА1 может быть любого типа с катушкой сопротивлением не менее 8 Ом и мощностью 0.5...1 Вт, например 0.5ГД-37.
Трансформатор Т1 взят из серии ТП от сетевого адаптера с выходным напряжением 6...9 В (ток не менее 100 мА). Обычно они используются для питания бытовых устройств и имеют корпус в виде сетевой вилки. Если у такого трансформатора только одна вторичная обмотка, то прийдется для питания схемы установить мостовой выпрямитель.
Трансформатор Т2 — выходной от любого миниатюрного транзисторного радиоприемника.
Транзистор VT1 можно заменить на КТ315, а VT2 на КТ972А(Б), КТ829А. Диоды VD1...VD8 типа КД106А, но подойдут и многие другие с аналогичными параметрами.
Регулировочный резистор R5 использован типа ППБ-1А, конденсаторы С1, С2 типа К50-35 на 25 В, СЗ — К10-17. Кварцевый резонатор ZQ1 любого типа на рабочую частоту 32768 Гц.
Для того чтобы продолжительность проигрывания мелодии не зависела от того, сколько времени нажата кнопка вызова, в схему можно установить таймер, рис. 1.26. Он выполнен на двух транзисторах VT3, VT4 и реле К1. Таймер позволяет увеличить время исполнения мелодии до 6...7 с после отпускания кнопки (время зависит от номинала конденсатора С4).
Работает схема таймера следующим образом. В начальный момент при нажатии кнопки SB1 реле К1 включится, так как транзистор VT3 за счет базового тока, проходящего через резистор R6, будет находиться в насыщении. Реле своей группой контактов К1.1 заблокирует цепь кнопки на время, пока не зарядится С4. Как только напряжение на базе VT4 достигнет уровня, при котором он откроется — это замкнет цепь базы VT3 на общий провод и реле отключится. Контакты реле К1.1 разомкнутся и питание на схему больше подаваться не будет (если кнопка SB1 не нажата).
Группа контактов К1.2 позволяет ускорить разряд конденсатора С4 при отключении реле для того, чтобы таймер был быстро готов к работе при очередном нажатии кнопки вызова и позволяет увеличить продолжительность звучания мелодии. Резистор R8 ограничивает ток разряда С4.
В схеме таймера использованы детали: С4 — танталовый К53-18 или К53-1 на 20 В. Транзистор VT3 можно заменить на КТ829А (Б), а VT4 на КТ315Б (Г,Е), КТ312В.
Репе К1 подойдет любое (имеющее две группы переключающих контактов) с напряжением срабатывания 9...12 В и допускающее коммутацию напряжения 220 В.
Рис. 1.24 Электрическая принципиальная схема музыкального звонка
Рис. 1.25 Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 1.26 Дополнение к схеме музыкального звонка
9. Звуковой сигнализатор с не повторяющимся звуком
Звуковой сигнализатор с не повторяющимся звуком
Устройство, схема которого показана на рис. 1.27, позволяет получить довольно приятные не повторяющиеся трели. Это достигается за счет использования генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), собранного на логических микросхемах DD1...DD3. Его построение хорошо известно, а работа подробно описана в литературе, например Л27 стр. 277.
Формирователь импульсов ПСП управляет звуковым генератором, который выполнен на широко распространенной микросхеме К174УН14 (импортный аналог TDA2003), включенной в режиме автогенератора. Перестройка частоты звукового генератора осуществляется при помощи транзистора VT1. А на базу транзистора сигнал поступает с выхода генератора ПСП (DD3/2).
Начальная частота звукового генератора (DA1) устанавливается при помощи резистора R4. Диапазон перестройки зависит от резистора R5, а скорость смены звуков (ритм) меняется резистором R2.
В качестве звукового излучателя ВА1 может применяться любой динамик мощностью 0.5...3 Вт и сопротивлением не менее 8 Ом. Резистор R8 позволяет регулировать громкость звукового сигнала.
Подстроенные резисторы R2, R4, R6 применены типа СПЗ-19а, R8 типа ППБ-1А, а остальные резисторы и конденсаторы подойдут любые, но с малыми габаритами. Иначе они не поместятся на печатной плате, приведенной на рис. 1.28. Плата односторонняя, но имеет четыре объемные перемычки, которые устанавливаются до начала монтажа.
Микросхема DA1 должна иметь теппоотвод (крепится к радиатору).
Устройство сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 6 до 15 В. При этом потребляемый ток не превышает 100 мА.
Схема может применяться в качестве квартирного звонка, будильника или музыкальной игрушки. При этом имеется преимущест-
во по сравнению со звуковым сигнализатором собранным на микросхемах с запрограммированными фиксированными мелодиями. Эта не скоро надоест повторением.
С небольшими изменениями устройство может найти и другие применения, например, в качестве ультразвукового отпугивателя грызунов или комаров. Все, что нужно сделать для этого, описано в следующей статье.
Рис. 1.27 Электрическая принципиальная схема звукового сигнализатора
Рис. 1.28 Топология печатной платы и расположение элементов
10. Ультразвуковой отпугиватель грызунов
Ультразвуковой отпугиватель грызунов
Мыши или крысы могут завестись в подвале, где хранятся продукты. Не каждая домашняя кошка умеет их ловить. И хотя обычная мышь в год съедает не более 12 кг пищи, но перепортить может тонны (как в анекдоте: "что не съем — то надкушу"). Кроме того, известно, что грызуны являются переносчиками многих инфекционных заболеваний.
Для борьбы с грызунами в продаже имеются ультразвуковые отпугиватели промышленного изготовления, например "ОГ-7". Такие приборы вырабатывают изменяемый сигнал в диапазоне ультразвуковых волн (30...60 кГц), не воспринимаемый людьми, но хорошо слышимый мелкими животными и грызунами.
Несмотря на то, что производители таких приборов их рекламируют для защиты помещений, посещаемых грызунами, площадью от 50 до 200 кв. метров, об эффективности таких устройств информация противоречива. Работать прибор должен непрерывно в течении довольно продолжительного времени — одной или даже двух недель. После чего грызуны уходят совсем.
Так как в отпугивателе однотональный ультразвуковой сигнал применять нельзя — к нему враги быстро привыкают, аналогичного назначения устройство можно выполнить на основе схемы, приведенной на рис. 1.27. Для этого потребуется резистором R4 перестроить частоту автогенератора (DA1) на ультразвуковой диапазон (60 кГц), а также резистором R5 установить максимально возможную девиацию частоты.
В устройстве использован ультразвуковой пьезоизлучатель HF1 типа ДЖГК-Э-50-156. Такой же применяется в аналогичных промышленных устройствах. Он имеет следующие основные технические характеристики:
О рабочий диапазон частот 19...65 кГц;
О при подаче синусоидального напряжения 25±1 В уровень звукового давления на расстоянии 1 м не менее 90 дБ;
О габаритные размеры 83,5х83,5х20 мм;
О масса не более 10 г.
Для того чтобы повысить уровень выходного сигнала, пьезоизлучатель включен через автотрансформатор Т1, как это показано на рис. 1.29.
Трансформатор Т1 выполнен внутри броневых ферритовых М2000НМ чашек типоразмера Б28 (аналогичный показан на рис. 1.43, только зазора в центральной части быть не должно, а максимальный внешний диаметр чашек 28 мм). Обмотки содержат: 1 — 110 витков, 2 — 40 витков, 3 — 110 витков. Намотка выполняется проводом мар
ки ПЭВ для обмоток 1 и 3 диаметром 0,12 мм, 2 — 0,2...0,25 мм. Обмотка 2 должна находиться в середине катушки. Такое расположение обмоток позволяет сделать трансформатор с лучшими характеристиками в области ультразвукового диапазона частот.
Микросхема DA1 крепится к теплоотводу.
Устройство сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 6 до 15 В. При напряжении 12В потребляемый ток составит около 150 мА.
Рис. 1.29 Подключение пьезоизлучателя к схеме
11. Электронные термостабилизаторы с цифровой индикацией температуры
Электронные термостабилизаторы с цифровой индикацией температуры
Нередко в быту требуется поддерживать заданную температуру в ограниченном объеме пространства. Это может быть аквариум, хранилище продуктов, инкубатор, сушильный шкаф или подогреватель детского питания. Удобно, если при работе такого устройства будет еще и цифровая индикация фактической температуры.
Вашему вниманию предлагается два варианта выполнения автоматических устройств для поддержания заданной температуры.
Термостабилизатор с использованием микросхемы КР572ПВ5
В литературе [Л10, Л11] опубликованы простые схемы цифровых измерителей температуры, выполненные на основе микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) КР572ПВ5 и цифровом жидкокристаллическом индикаторе ИЖЦ5-4/8. Эта микросхема изготовлена по МОП технологии и все устройство вместе с индикатором от источника питания (9 В) потребляет ток не более 2 мА.
Такой измеритель температуры не сложно превратить в термостабилизатор. Для этого потребуется подключить к указанным выше устройствам схему управления нагревательным элементом, как это показано на рис. 1.30.
Методика изготовления и настройки непосредственно измерителя температуры подробно приводится в указанной выше литературе и поэтому здесь описываться не будет.
Рассмотрим более подробно только электрическую схему приставки термостабилизатора (рис. 1.31). Ее принцип работы основан на том, что порог переключения исполнительного устройства (электронного коммутатора напряжения в нагрузке) устанавливается по показаниям цифрового индикатора, имеющегося в измерителе температуры.
Фактически микросхема (КР572ПВ5) является цифровым вольтметром, который измеряет напряжение, поступающее с термо-
датчика (в данном случае датчиком является диод) на вход АЦП (вывод 30 микросхемы). Этот же сигнал подается в схему управления — на вход операционного усилителя DA1.1 и компаратор DA1.2.
Применение в качестве компаратора схемы интегратора (за счет включения емкости С6) позволяет обеспечить плавный выход на режим термостабилизации. Это хорошо видно при подключении параллельно с нагревателем лампы. По мере приближения температуры к заданному значению яркость ее свечения будет постепенно снижаться.
Работает схема приставки следующим образом. Положительное напряжение на выходе микросхемы DA1/10 разрешает работу автогенератора, собранного на однопереходном транзисторе VT1. Коммутацию нагревателя выполняет симистор VS1 при появлении на его управляющем выводе импульсов.
Для того чтобы заранее точно установить для поддержания любую нужную температуру, служит переключатель SA1 ("режим") и регулировочные резисторы R1 и R2. Переключатель в положении, когда его контакты замкнуты, позволяет через резистор R1 подавать напряжение одновременно на входы микросхемы DA1/2 и на АЦП, имитируя изменение температуры термодатчика.
При помощи резистора R1 можно установить любые условные значения на индикаторе от -4 до +100°С. Как только показание цифрового индикатора будет соответствовать необходимому для режима термостабилизации — вторым подстроенным резистором (R2) выставляем порог переключения компаратора DA1.2 на данной температуре. Индикатором наличия напряжения на нагрузке является светодиод HL1. Светодиод должен гаснуть при превышении входной температуры указанного порога, т.е. когда нагреватель отключится.
На этом установку режима термостабилизации можно считать законченной и переключатель SA1 возвращаем в исходное положение (контакты разомкнуты).
Элементы, выделенные на электрической схеме пунктиром, располагаются на печатной плате из стеклотекстопита с размерами 85х38 мм, рис. 1.32. Плата имеет одну объемную перемычку (показана пунктиром) и ее надо установить до начала монтажа.
Для удобства настройки нужной температуры в схеме приставки использованы многооборотные подстроечные резисторы R1, R2 из серии СПЗ-36: R4 — типа СПЗ-19а, остальные типа С2-23 или МЛТ:
конденсаторы С1...СЗ и С6, С8 — К10-17; полярные конденсаторы С4, С5, С7, С9 типа К50-35 на 16 В.
Микросхема усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом А747; стабилизаторы напряжения DA2 на 79L09;
DA3 на 78L09.
Сетевой трансформатор (Т1) для питания схемы подойдет любой мощностью 3...5 Вт с напряжениями во вторичных обмотках 3-4 и 4-5 по 10...12 В и допустимым рабочим током до 50...80 мА.
Импульсный трансформатор (Т2) можно использовать такой же, как и в схеме, показанной на рис. 1.17.
Блок питания термостабилизатора удобнее выполнять в виде отдельного узла, где располагается и силовой коммутатор VS1.
Калибровку показаний измерителя температуры необходимо выполнять при подключенной схеме приставки, что исключит погрешность, связанную с влиянием входной цепи и емкости монтажа приставки.
При правильном монтаже настройка схемы приставки заключается в проверке полного открывания симистора VS1 при работе автогенератора на VT1 (может потребоваться поменять местами отводы в любой из обмоток трансформатора Т2). Для того чтобы регулятор перекрывал необходимый диапазон температур, нужно подстроить резистор R4.
В заключение можно отметить, что этот метод подключения приставки применим и ко многим другим цифровым измерителям температуры для получения возможности управлять нагревательными устройствами и обеспечить режим термостабилизации в ограниченном объеме.
Термостабилизатор для термокамеры
Данное устройство было изготовлено для технологической тренировки блоков радиоаппаратуры на производстве. Оно выполнено в виде приставки к термошкафу и позволяет измерять и автоматически поддерживать необходимую положительную температуру с точностью не хуже 0,5°С. Дискретность индикации температуры 1 °С. Эта схема термостабилизатора может найти применение и в домашних условиях.
Нужная температура устанавливается при помощи двух переключателей в диапазоне от 40 до 85°С (с дискретностью 5°С). Диапазон и дискретность можно при изготовлении легко изменить.
Работу устройства поясняет структурная схема, показанная на рис. 1.33. Датчиком температуры служит терморезистор R3, размещенный в термокамере. Напряжение, снимаемое с термодатчика, усиливается микросхемой DA1 и поступает на прецизионный преобразователь напряжение-частота (U—>f), собранный на сдвоенном операционном усилителе DA2, рис. 1.34.
На выходе DA2/10 должны быть двухполярные импульсы, форма которых показана на рис. 1.35. Цепь из элементов VD3-R13-R14 обеспечивает прохождение на селектор только положительных импульсов, а также уменьшает их амплитуду до уровня, необходимого логическим микросхемам (микросхема 564ЛН2 допускает превышение входного напряжения над питающим).
Селектор, рис. 1.36, собранный на цифровых микросхемах DD1, DD2 и DD3.1, формирует интервал, в течение которого импульсы поступают на счетчики DD5...DD7. В качестве селектора используется схема, подробно описанная в [Л12].
Длительность интервала зависит от частоты автогенератора, собранного на элементах DD1.1-D1.2. Устройство настраивается так, чтобы число импульсов, приходящих за фиксированный интервал времени, соответствовало измеряемой температуре и менялось пропорционально ее изменению (например, температуре 50°С соответствует 500 импульсов, т.е. одному градусу — 10 импульсов).
Измеренная температура показывается двумя светодиодными семисегментными индикаторами HL1, HL2. При желании схему можно дополнить третьим разрядом для индикации десятых долей градуса, но для практического применения устройства обычно это не нужно.
Частота замеров температуры зависит от емкости С2 и номинала резистора R4. Как только конденсатор С2 зарядится — транзистор VT1 открывается и обнуляет триггеры DD2.1 — DD2.2.
На время измерения температуры индикаторы HL1 и HL2 гасятся подачей уровня лог. "0" на входы 4 дешифраторов 514ИД2. Этот же сигнал поступает на DD3/12 и отключает симистор VS1.
Режим термостабилизации осуществляется за счет работы схемы сравнения, собранной на микросхемах DD12, DD13, рис. 1.37. Сигналы с выходов счетчиков DD6 и DD7 поступают на дешифраторы DD10 и DD11, преобразующие двоичный код в десятичный.
Необходимая температура задается при помощи переключателей SA1 и SA2. Схема совпадения на элементах DD12, DD13 обеспечивает отключение нагревателей, как только код с выходов дешифраторов достигнет или превысит значения, установленные переключателями.
Использование в качестве силового коммутатора оптоэлектронного симистора позволяет обеспечить хорошую развязку схемы управления от сети.
В процессе выхода термокамеры на заданный режим из-за инерционности системы температура в камере может меняться, как это показано на рис. 1.38. В установившемся режиме точность поддержания температуры будет не хуже 0,5°С.
Схема также предусматривает дистанционное управление выключением нагревателя (уровнем лог. "0") от внешнего времязадающего таймера, подключаемого через разъем Х1 (от него же таймер может и питаться).
Источник питания для схемы термостабилизатора показан на рис. 1.39. Питающие напряжения на выводы логических микросхем подаются в соответствии с табл. 1.2.
В устройстве установлены подстроечные резисторы типа СПЗ-19а, постоянные резисторы С2-23. В качестве датчика темпера-
туры (R3 на рис. 1.34) применяется терморезистор типа МТТ-4 сопротивлением 10 кОм. Неполярные конденсаторы из серии К10-17, оксидные полярные лучше использовать танталовые, например типа К53-1А (в источнике питания они могут быть любого типа).
Микросхемы 133, 533 и 1533 заменимы на серию 155, а 564 на 561-ю серию. Вместо матрицы сопротивлений .D1 и D2 типа Б19-1-1-100 Ом можно установить соответствующее количество обычных резисторов сопротивлением 100 Ом (0,25 Вт).
Таблица 1.2. Питающее напряжение на микросхемах
|
Номер и тип микросхемы |
Напряжение на выводах, В |
|||||
|
5 |
7 |
8 |
10 |
14 |
16 |
|
|
DD1 564ЛН2 |
on |
+5 |
||||
|
DD2 533ТМ2 |
on |
+5 |
||||
|
DD3 564ЛА9 |
on |
+5 |
||||
|
DD4 533ЛАЗ |
on |
+5 |
||||
|
DD5.DD6, DD7133HE2 |
+5 |
on |
||||
|
DD8, 009514ИД2 |
on |
+5 |
||||
|
DD10, DD11 564ИД1 |
on |
+5 |
||||
|
DD11, 0012564ЛС2 |
on |
+5 |
||||
Переключатели применены: SA1 — типа ПГ2-11-6П12НВК, SA2 — ПГ2-22-2П8НВК.
Трансформатор Т1 использован типа ТПП259-127/220-50. Для монтажа преобразователя на рис. 1.40 приведена топология печатной платы. Остальные узлы схемы собирались объемным монтажом на универсальных печатных макетных платах.
Калибровку измерителя температуры желательно производить с помощью высокоточных цифровых промышленных термометров. Удобнее это делать следующим образом. Термодатчик помещается в среду с известной температурой (например, в воду) и цифровым прибором замеряем его сопротивление. Эту операцию выполняем несколько раз и для разных значений температуры (лучше, если эта температура будет на краях рабочего диапазона). Теперь подбираем постоянные резисторы с такими же сопротивлениями, как у термодатчика. Их мы будем использовать при настройке всей схемы для имитации нужной температуры.
Настройка схемы заключается в получении соответствия между температурой и показаниями индикаторов во всем рабочем диапазоне. Это выполняется с помощью резисторов R7 (на схеме рис. 1.34) и R2 (рис. 1.36) при подключенных вместо термодатчика эквивалентных сопротивлениях для известных значений температуры.
Рис. 1.30 Схема подключения приставки термостабилизатора
Рис. 1.31 Электрическая принципиальная схема приставки термостабилизатора
Рис. 1.32 Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 1.33 Структурная схема термостабилизатора
Рис. 1.34 Преобразователь напряжение-частота
Рис. 1.35 Форма напряжения на выводе DA2/10
Рис. 1.36 Схема селектора импульсов с блоком индикации
Рис. 1.37 Схема управления коммутатором
Рис. 1.38 Процесс выхода на режим термостабилизации
Рис. 1.39 Схема источника питания
Рис. 1.40 Топология печатной платы и расположение элементов схемы преобразователя
12. Два таймера для ограничения времени работы зарядных устройств
Два таймера для ограничения времени работы зарядных устройств
В продаже имеется много простейших зарядных устройств к аккумуляторам. Некоторые из них входят в состав конструкции изделия, где и используются сами элементы питания (например, в аккумуляторных фонариках). Но большая часть зарядных устройств выполнена в виде отдельного блока, имеющего корпус с отсеком для установки туда аккумуляторов — от одного до четырех одновременно.
Процесс заряда обычно осуществляется в течении 4...20 ч. А время заряда зависит от степени разряда аккумулятора.
Включив такое зарядное устройство в сеть, можно забыть вовремя его отключить. В этом случае аккумулятор получает избыточный заряд и может быть поврежден или же существенно снизится его ресурс. Только при правильной эксплуатации аккумуляторы обеспечивают 600... 1000 циклов заряд-разряд и жалко их выбрасывать раньше времени из-за невнимательности.
Простой таймер позволит избавить вас от необходимости следить за временем и отключит из сети зарядное устройство через заданный переключателем SA1 интервал времени, рис. 1.41. При этом сам таймер по окончании интервала тоже отключится.
Так как к такому таймеру не предъявляется высоких требований по точности заданного интервала, задающий тактовый автогенератор на элементах DD1.1 ...DD1.3 выполнен без кварцевой стабилизации частоты. Это позволяет упростить электрическую схему. Такой таймер при использовании термостабильного конденсатора СЗ обеспечивает точность выдержки интервала не хуже ±1% при изменении температуры в диапазоне +10...30°С.
Автогенератор на выходе DD1/4 формирует импульсы, которые удобнее контролировать после делителя DD2. На выходе DD2/5 лог. "1 " должна появиться через интервал в 14 с (точная настройка выполняется подбором резистора R2). Счетчики на микросхемах DD2 и DD3 обеспечивают деление до получения нужного временного интервала. На соответствующих выходах DD3 будет появляться уровень лог. "1" через 2-4-6-8-10-12-14-16-18 ч.
Зарядное устройство подключается к гнездам XS1 ("нагрузка"). В начальный момент, чтобы подать питание на схему таймера и в нагрузку, необходимо нажать кнопку SA1 и подержать ее в таком состоянии в течении 2 с — пока не станет светиться индикатор HL1. При этом начинает работать автогенератор на однопереходном транзисторе VT2. Приходящие на управляющий электрод симистора VS1 импульсы (с частотой около 2 кГц) его открывают и цепь кнопки SB1 блокируется.
Так как частота следования импульсов автогенератора значительно больше, чем сетевая, то симистор открывается'практически в начале каждого полупериода сетевого напряжения.
Автогенератор на VT2 будет работать до тех пор, пока на базу транзистора VT1 не поступит напряжение с переключателя SA1.
Электрическая схема выполнена с бестрансформаторным питанием от сети 220 В, что позволяет уменьшить габариты всего устройства. Поэтому конструкция легко помещается в пластмассовом корпусе с размерами 110х90х40 мм.
Все детали схемы, кроме переключателя SA1 и кнопки SB1, расположены на односторонней печатной плате размерами 80х60 мм, рис. 1.42. Плата имеет пять объемных перемычек, что позволило упростить разводку топологии.
В устройстве использованы элементы: резисторы МЛТ; конденсаторы С1, С5 — К50-35 на 50 В, С2 — К10-28, СЗ и С4 типа К10-17, Сб — К73-17 на 400 В. Конденсатор С2 необходимо использовать с минимальным ТКЕ.
Симистор VS1 может быть заменен на ТС122-25-6, ТС112-10-6 или ТС112-16-6.
Микропереключатель SA1 — ПГ2-6-12П1Н (или 12П2Н), кнопка SB1 любая малогабаритная.
Импульсный трансформатор Т1 выполнен внутри броневого магнитопровода типоразмера Б14 из феррита с магнитной проницаемостью М2000НМ1, рис. 1.43. В центре сердечника необходимо обеспечить зазор 0,1...0,2 мм, что исключит его намагничивание однополярнь1ми импульсами. Обмотка 1 содержит 80 витков, 2—40 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,1 мм.
При настройке схемы, если симистор полностью не открывается, может потребоваться поменять местами выводы в любой из обмоток Т1. А задающий генератор настраивается при помощи резистора R2.
Вторая схема таймера аналогичного назначения выполнена с использованием в качестве силового коммутатора контактов поляризованного реле К1 (РПС42 РС4.520.720-01 (03)) рис. 1.44. Это реле имеет герметичное исполнение и допускает коммутацию переменного тока до 1 А.
Так как К1 имеет две группы переключающих контактов, то данный вариант таймера можно использовать не только для управле-
ния зарядным устройством, но и для других целей, например выключения звонка у телефона на необходимый интервал времени.
Поляризованное реле не требует постоянной подачи напряжения на обмотку для удержания контактов в нужном положении. Им можно управлять кратковременной подачей напряжения на соответствующую обмотку, что позволяет в рабочем режиме снизить потребляемый схемой управления ток до величины не более 1,4 мА.
Для включения таймера необходимо нажать кнопку SB1. Индикатором работы таймера является свечение светодиода HL1.
В устройстве использована времязадающая часть, аналогичная предыдущей схеме. В зависимости от положения переключателя SA1, как только на соответствующем выходе DD3 появится уровень лог. "1" — откроется транзистор VT1 и сработает обмотка В-Г реле К1 (за счет накопленной на конденсаторе С4 энергии). Контакты К1.1 вернутся в исходное положение и нагрузка отключится.
Так как обе схемы имеют бестрансформаторное питание от сети, при настройке и проверке данных устройств требуется проявлять повышенное внимание и осторожность, чтобы не попасть под опасное напряжение.
Рис. 1.41 Электрическая принципиальная схема таймера
Рис. 1.42 Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 1.43 Конструкция импульсного трансформатора с броневым сердечником типоразмера Б14
Рис. 1.44 Второй вариант схемы таймера
13. Ограничитель доступа к телевизору
Ограничитель доступа к телевизору
Устройство будет полезно, если у вас есть ребенок, учащийся в школе. Не у всех родителей есть возможность следить днем за выполнением школьником домашних заданий. Телевизор сильно отвлекает от необходимых дел. Не у каждого ребенка хватит силы воли для выполнения домашних уроков, когда идет интересная телепередача. В этом случае может помочь электроника.
Данная приставка позволит включать телевизор только в определенные интервалы времени (сама она не включает телевизор). В выходные дни ограничение доступа работать не будет. Приставка может найти и другое применение в тех случаях, когда требуется обеспечить цикличность управления процессами.
Устройства аналогичного назначения промышленность, к сожалению, не выпускает. По сравнению с опубликованными в литературе аналогами [например, Л9], данное проще в изготовлении и эксплуатации. Оно является универсальным и может быть использовано с современным телевизором любой марки — отечественным или импортным. А для подключения приставки не потребуется вскрывать корпус телевизора и разбираться в его схеме.
Сетевая вилка от телевизора подключается к гнездам (XS1), расположенным внутри корпуса приставки, рис. 1.45. Такой способ исключит возможность обычного подключения телевизора к сети. При этом обеспечивается питание дежурного режима телевизора для управления его работой дистанционно — с пульта на ИК лучах.
Если не пытаться включить телевизор в запрещенные интервалы (в данном варианте схемы их два: 21-00...07-00 и 12-00...17-00), то устройство никак не проявляет своей работы.
При изготовлении приставки временные интервалы можно изменить на любые другие при помощи переключения снимаемых сигналов с выхода дешифратора DD9 и счетчика DD7.
Электрическая схема устройства (рис. 1.46) собрана на КМОП микросхемах и работает в режиме микротоков. Что позволяет использовать бестрансформаторное питание от сети 220 В.
Коммутацию питающего телевизор напряжения осуществляют контакты К1.1 поляризованного реле. Оно срабатывает за счет накопленной на конденсаторе С8 энергии при подаче напряжения на соответствующую обмотку. А для фиксации своих переключающих контактов ему не требуется постоянного питания, что позволяет уменьшить потребляемую схемой энергию. Приставка потребляет от сети ток не более 1,4 мА.
Для того, чтобы цикл работы схемы не нарушался в случае временного исчезновения сетевого напряжения, использован резервный аккумулятор G1 (7Д-0,125Д), от которого будут питаться только цифровые микросхемы.
Работает схема следующим образом. На микросхеме DD1 собран стабилизированный кварцевым резонатором генератор минутных импульсов. С выхода генератора (DD1/10) импульсы приходят на делитель с коэффициентом 60 (DD3, DD4). На вход DD6/15 поступают часовые импульсы. На микросхемах DD6, DD7, DD8 собран делитель с коэффициентом 24 (суточный цикл часов).
Счетчики DD6 и DD7 имеют входы D1...D4 для начальной установки числа в двоичном коде. На схеме показаны перемычки на входах для времени 21 ч. В этот момент времени необходимо нажать кнопку начальной установки SB1. Она обеспечивает обнуление счетчиков DD1...DD3 (по входам R), а также запись двоичного кода в регистры начальной установки счетчиков часов DD6, DD7 времени 21-00. Это позволяет упростить электрическую схему за счет отказа от использования индикаторов текущего времени и элементов для его установки.
Селектор временных интервалов выполнен на микросхемах:
двоично-десятичном дешифраторе DD9 и логических элементах DD10.1...DD10.3. На входы RS-триггера, собранного из элементов DD5.1-DD5.2, поступают импульсы лог. "1" (на DD5/1 — включение;
DD5/6 — отключение нагрузки). При появлении лог. "1" на выходе DD5/4 —дифференцирующая цепь из C6-R9 формирует короткий импульс, который передается через логические элементы DD5.4-DD10.4 и транзистор VT4 для срабатывания обмотки А-Б реле К1 (контакты 12-13 замкнутся).
Отключение нагрузки выполняет обмотка В-Г, когда открывается транзистор VT3.
Счетчик на микросхеме D2 имеет коэффициент деления 7, что соответствует числу дней в неделе и совместно с транзистором VT2 дает запрет работы VT3 в течении двух выходных дней (когда лог. "1" появляется на выходах DD2/2 или DD2/5, транзистор VT2 открывается и закорачивает управляющий сигнал на базе VT3). При этом предполагается, что первоначальное включение устройства в работу выполняется в воскресенье (в 21-00 кнопкой установки SB1).
Для того чтобы схема различала, включен ли телевизор в работу или находится в дежурном режиме, используется датчик тока в цепи нагрузки — токовый трансформатор Т1. При переходе телевизора из дежурного режима в рабочий напряжение во вторичной обмотке Т1 будет достаточным для открывания транзистора VT1. Этот транзистор обеспечивает лог. "0" на входе DD5/9. И если момент включения телевизора совпадет с запрещенным интервалом (лог. "0" на DD5/4), цепь сетевого питания телевизора отключится до момента, пока этот интервал не кончится.
В устройстве применены детали: резисторы типа МЛТ или аналогичные (их мощность указана на схеме); полярные конденсаторы СЗ, С7, С8 типа К50-24, остальные из серии К10, например типа К10-17.
Диоды VD1...VD5, VD10, VD11 могут быть заменены любыми импульсными, например КД522, КД503; VD5, VD6 — КДЮЗА(Б). Транзисторы VT1, VT2 заменяются на КТ3102, а VT3, VT4 на КТ829.
Кварцевый резонатор ZQ1 от часов на рабочую частоту 32768 кГц. Поляризованное реле К1 использовано типа РПС42Б(А) паспорт РС4.520.720. Оно имеет герметичное исполнение и допускает протекание через свои контакты тока до 1 А.
Микросхемы 561 -и серии могут быть заменены на 564-ю серию, а микросхема 561 ИЕ9 — на 561 ИЕ8 или 564ИЕ8, но при этом изменится нумерация подключения выходных цепей.
Токовый трансформатор Т1 проще всего изготовить самостоятельно на основе применяемого в старых отечественных телефонных аппаратах. У него магнитопровод имеет типоразмер Ш5х5. При этом используются уже намотанные обмотки 1-2 и 3-5, а верхняя снимается и на ее месте наматываются 120 витков проводом
ПЭЛ-2 диаметром 0,33 мм. Фазировка подключения намотанной обмотки 2-4 должна быть такой, чтобы напряжение, поступающее на диод VD3, было увеличено за счет сложения напряжений со всех обмоток Т1.
Печатная плата для схемы не разрабатывалась. Монтаж выполняется на универсальной макетной плате, имеющей места для установки микросхем.
Проверку работы устройства удобно проводить при подаче на вход DD3/2 не минутных, а секундных импульсов (с выхода DD1/4). Для контроля работы коммутатора нагрузки к гнездам XS1 подключаем лампочку мощностью 40...60 Вт. В этом случае весь цикл работы устройства можно увидеть в течение 24 минут и проконтролировать временные интервалы (10-5-5-4).
Так как в задающем генераторе (DD1) использована кварцевая стабилизация частоты, уход за сутки не превышает 15 с, но если имеется частотомер, то с помощью подбора конденсатора С2 можно ход часов настроить более точно.
Таблица 1.3. Питающее напряжение на микросхемах
|
Номер и тип микросхемы |
Напряжение на выводах, В |
|||
|
7 |
8 |
14 |
16 |
|
|
DD1 К176ИЕ12 |
on |
+9 |
||
|
DD2K561HE9 |
on |
+9 |
||
|
DD3K561HE10 |
on |
+9 |
||
|
DD4 К561ЛА7 |
on |
+9 |
||
|
DD5 К561ЛЕ5 |
on |
+9 |
||
|
DD6,DD7K561HE11 |
on |
+9 |
||
|
DD8 К561ЛА7 |
on |
+9 |
||
|
DD9K561Hni |
on |
+9 |
||
|
DD10 К561ЛА7 |
on |
+9 |
||
Настройка схемы при безошибочном монтаже заключается в проверке открывания транзистора VT1 только при включенном (работающем) телевизоре. В режиме сна (ждущий режим) телевизор потребляет незначительный ток, и напряжение на базе транзистора VT1 будет слишком маленьким для его включения. Чтобы выполнялось это условие, может потребоваться подбор номинала резистора R4.
Рис. 1.45 Схема подключения приставки ограничения доступа к телевизору
Рис. 1.46 Электрическая принципиальная схема приставки
14. Часы для автоматического управления устройствами
Часы для автоматического управления устройствами
Для автоматического управления режимом работы различных бытовых электроприборов или радиоаппаратуры в домашних условиях, а также на производстве иногда бывает необходимо иметь времязадающий автомат. Например, такое устройство может по заданной программе управлять поливом растений на дачном участке в течении всей недели, пока вы работаете в городе.
Циклический таймер легко выполнить на основе цифровых часов с кварцевой стабилизацией частоты. Использовать для изготовления управляющего автомата уже готовые цифровые часы промышленного изготовления неудобно, так как у них выходные сигналы рассчитаны на управление индикаторами в динамическом режиме, что затрудняет подключение узла управления.
Наиболее часто в опубликованных конструкциях для изготовления электронных часов используют специально разработанную для этих целей еще в 70-х годах 176-ю серии МОП микросхем. В настоящее время они являются устаревшими и имеют существенные недостатки:
невысокую надежность;
номинальное рабочее напряжение +9...12 В (при меньшем могут неустойчиво работать);
узкий диапазон рабочих температур (-10...+70°С).
Предлагаемое устройство выполнено в основном на микросхемах 561-й КМОП серии и лишено всех этих недостатков. Хотя при этом схема содержит больше микросхем и получается сложнее, но она работает при меньшем питающем напряжении, а также позволяет добиться более высокой точности хода часов.
Электрическая схема обеспечивает индикацию текущего времени (часы и минуты) и дня недели. Имеется индикация секундных импульсов, а также предусмотрена возможность контроля работы программы (суточного цикла) в ускоренном режиме.
Основным источником питания устройства является сеть 220 В. В дежурном режиме схема часов потребляет микроток, что обеспечивает ее длительную работу от резервных элементов питания (аккумулятора) в случае отключения основного источника. Учитывая, что в часах больше всего потребляют энергии светодиодные индикаторы и микросхемы, ими управляющие, эти элементы подключены так, что в
случае исчезновения сетевого напряжения они обесточиваются, а от аккумулятора питание подается только на КМОП микросхемы.
Применение в часах светодиодных индикаторов позволяет сделать видимым время даже при слабом освещении.
Приведенный вариант устройства позволяет управлять по двум каналам сетевой нагрузкой мощностью до 10 кВт (ток 5 А). Число каналов легко увеличивается до 10 путем подключения дополнительных микросхем памяти. Кроме того, схема при монтаже легко поддается изменению своих характеристик в зависимости от тех задач, которые необходимо выполнить, например, все каналы или один из них может работать в недельном цикле (для выходных дней записывать свою программу управления, если два входа старших разрядов А11 и А12 микросхемы памяти подключить к выходам счетчика дней недели — DD9).
Дискретность установки необходимого временного интервала составляет 2 мин (или 10 мин при использовании недельного цикла).
Структурная схема автомата показана на рис. 1.47. Устройство для удобства представления условно разделено на следующие узлы:
А1 — кварцевый автогенератор с делителем частоты до минутных импульсов, рис.1.48;
А2 — делители частоты для получения отсчета времени в минутах и часах, рис.1.49;
A3 — узел индикации текущего времени и дня недели, рис. 1.50;
А4 — узел установки временных интервалов для управления работой внешних устройств, рис. 1.51;
А5 — электрическая схема источника питания, рис. 1.52.
Формирователь минутных импульсов (А1) выполнен на микросхемах DD1.1, DD2. Частота стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1 на 32768 Гц. Для того чтобы обеспечить устойчивую работу счетчика DD2 при пониженном напряжении питания, задающий автогенератор выполнен на внешнем элементе DD1.1. Счетчики внутри микросхемы DD2 делят частоту до формирования минутных импульсов.
С выхода DD2/10 минутные импульсы поступают на счетчики с коэффициентом деления 60 (минуты) DD3 и 24 (часы) DD5, DD6 (рис. 1.49). Логические элементы DD4 и DD7 обеспечивают необходимые коэффициенты деления у счетчиков за счет их обнуления в нужный момент по входам R. Нажатие кнопки "установка" (SB1) также формирует импульс обнуления всех счетчиков, а с выхода элемента DD1/11 передний фронт импульса устанавливает в счетчики DD5, DD6 начальное число 22-00 (при появлении импульса на выводах DD5/1, DD6/1 производится запись двоичного кода, установленного на входах D1...D4 микросхем). Время для начальной установки при изготовлении устройства можно выбрать (перемычками в двоичном коде) любым из тех чисел, что вам наиболее удобны.
Применение всего одной кнопки для установки времени позволяет упростить схему. Эта же кнопка при очередном нажатии переключает день недели, так как импульсы поступают через элемент DD1.4 на вход счетчика дней DD9/14, рис. 1.50. Конденсатор СЗ устраняет дребезг контактов кнопки при формировании импульса на переключение счетчика дня недели.
Переключатель SA1 позволяет проверить работу часов и установленной программы управления в ускоренном режиме (положение "ускорение"), когда используется повышенная частота с выхода DD2/6.
Схема узла индикации состоит из дешифраторов двоичного кода (DD10...DD13) в семисегментный код, необходимый для управления работой цифровых индикаторов, выполненных на основе светодиодов. На рис. 1.51 показано соответствие входных сигналов сегментам индикатора. Резисторные матрицы D1...D4 ограничивают ток через светодиоды индикаторов, а диоды VD1, VD2 и элементы микросхемы DD13.1-DD13.2 обеспечивают формирование сигнала гашения старшего разряда в часах, когда на обоих входах DD10 нулевой уровень (при лог. "0" на DD10/4 индикатор светиться не будет). По этой причине сегмент F в индикаторе HG1 можно не подключать.
Светодиод HL1 мигает с частотой 1 Гц, а из светодиодов HL2...HL8 будет светиться только один, соответствующий дню недели .(элементы микросхемы DD14 позволяют обеспечить необходимый для свечения светодиодов ток).
В цепях снижения потребляемого тока от источника питания на остальные входы гашения индикаторов DD11/4...DD13/4 подаются импульсы, но из-за инерции зрения это не заметно.
Узел установки временных интервалов, рис. 1.52, собран на микросхемах оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) из серии 537. Они изготовлены по КМОП технологии, что обеспечивает длительную работу схемы от автономного источника питания (сохраняют содержимое памяти, пока есть питание). Количество микросхем памяти может быть увеличено до необходимого числа каналов управления.
Так как оба канала управления нагрузкой выполнены аналогично, рассмотрим функционирование на примере одного. Схема предусматривает индивидуальную запись информации в каждую из микросхем памяти.
Работу данной микросхемы памяти поясняет табл. 1.4.
Таблица 1.4. Таблица истинности для микросхемы 537РУ2
|
Входы |
DO |
Рабочее состояние |
||
|
СЕ |
WE/RE |
DI |
||
|
1 |
х |
х |
Большое Рвых |
Выборка запрещена |
|
0 |
0 |
0 |
Большое Рвых |
Запись "0" |
|
0 |
0 |
1 |
Большое Рвых |
Запись "1" |
|
о |
1 |
х |
0 или 1 |
Считывание |
где х — любое значение логического сигнала, т.е. лог. "0" или лог. "1".
На входы адресов А0...А11 поступает двоичный код с выходов счетчиков часов и минут, а если надо, то и дней недели. Для записи нужной программы в канапе 1 (DD15) необходимо выполнить действия в следующей последовательности:
1) переключатель SA1 устанавливается в положение "ускорение" цикла — в этом случае сигнал на вход счетчика DD3/2 подается с DD2/6 и часы проходят суточный цикл примерно за 12 мин;
2) включить переключатель "ЗАП", для канала 1 это будет SA4 — в этом случае микросхема ОЗУ работает в режиме записи состояния на входе DI (лог. "0");
3) нужно дождаться момента индикации на часах необходимого времени включения нагрузки и в этот момент включить SA2 ("ПР1") — на интервал, в течение которого нагрузка должна работать (происходит запись лог. "1");
4) после окончания записи всего цикла переключатель SA4 вернуть в исходное положение (режим чтения) и по часам проверить срабатывание реле К1 на нужных интервалах времени;
5) вернуть все переключатели в исходное положение (как это показано на схеме) и кнопкой SB1 установить день недели и точное время.
Теперь на выходе D0 микросхемы (DD15/7) будет присутствовать уровень лог. "1" только в течение нужных интервалов времени. Этот сигнал открывает транзистор VT1 и срабатывает реле К1, включая своими контактами К1.1 нагрузку на гнездах XS1. Схема предусматривает также ручное управление включением нагрузки в любой момент времени при помощи трехпозиционных переключателей SA6 и SA7, рис. 1.52. Светодиоды HL9, HL10 являются индикаторами включения нагрузки в соответствующем канале.
Для питания устройства от сети выполнен источник питания по схеме, показанной на рис. 1.53. Трансформатор Т1 подойдет унифицированный, типа ТПП255-127/220-50 или ТПП255-220-50, но его можно изготовить и самостоятельно, воспользовавшись методикой расчета, приведенной в литературе, например Л20, стр. 167. Ток потребления по цепи 4,8 В составляет 0,35...0,55 А, по цепи 30 В — зависит от числа реле и для двух обычно не превышает 120 мА.
Для получения высокой точности хода часов использован стабилизатор напряжения (DA1). Он может быть также собран по схеме, приведенной в разделе источников питания на рис. 4.3. Конденсаторы С8 и С9 располагаются вблизи от логических микросхем, а С7 установлен рядом с выводами стабилизатора (лучше, если оксидные конденсаторы использовать танталовые).
В качестве резервного источника питания (G1) подойдут 4 аккумулятора типа Д-0,115 или Д-0.26Д. Диод VD13 предотвращает разряд элементов через схему стабилизатора при отключении сетевого питания. А в нормальном режиме через него происходит подзаряд аккумуляторов. Включатель SA8 служит для исключения полного разряда аккумулятора при отключении часов на длительное время.
Питание на выводы микросхем подается в соответствии с табл. 1.5.
Таблица 1.5. Питающее напряжение на микросхемах
|
Номер и тип микросхемы |
Напряжение на выводах, В |
|||||
|
7 |
8 |
9 |
14 |
16 |
18 |
|
|
DD1 К564ЛЕ5 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD2K176ИE12 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD3K561ИE10 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD4, 007К561ЛА7 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD5,DD6,K561ИE11 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD8,DD14K56ЛH2 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD9K561ИE9 |
on |
+4,2 |
||||
|
DD10...DD13K514ИД2 |
on |
+4,8 |
||||
|
DD15, DD16KP537PУ2A |
on |
+4,2 |
||||
Печатная плата для сборки часов не разрабатывалась. Монтаж выполняется на универсальной макетной плате (лучше, если она будет предусматривать установку любых микросхем — с планарным и обычным расположением выводов). Конструктивно узлы А1 и А2 удобно располагать на одной плате, соединяемой с блоком индикации A3 через 32 контактный разъем (например, типа РП 15-32). Аккумуляторы закрепляются так, чтобы к ним был легкий доступ, так как раз в год с поверхности элементов необходимо удалять выступающий налет.
Уменьшить габариты платы и всего устройства можно, если вместо серии 561 применять аналогичные микросхемы с планарным расположением выводов из серии 564, но они стоят значительно дороже.
Для сборки устройства резисторы подойдут любого типа. Резисторные сборки D1 ...D4 можно заменить обычными резисторами сопротивлением 100...120 Ом и мощностью 0,125...0,25 Вт. Конденсаторы С1, С2 должны иметь малый ТКЕ (М47, М75); СЗ типа К10-17; оксидные С4...С8 — К53-1. Кварцевый резонатор ZQ1 подойдет любого типа — они широко распространены, так как специально выпускаются для применения в часах.
Диоды VD1, VD2 подойдут любые импульсные; выпрямительные диоды VD3...VD12 могут быть любого типа на ток не менее 1 А, но лучше применять КД257 или КД258 (последняя буква в обозначении для данной схемы может быть любая), так как у них есть очень полезные свойство: в случае возникновения неисправности в схеме диоды при перегрузке лопаются и разрывают цепь, выполняя роль предохранителя, что делает такой источник питания безопасным даже в аварийной ситуации.
Светодиоды HL1...HL10 лучше применять из серии КИПД05А (Б, В — с разным цветом свечения) — они при токе около 1 мА светятся достаточно ярко. Цифровые индикаторы HG1...HG4 могут быть использованы АЛС321Б или АЛС324Б, но они имеют меньше высоту цифр (8 мм) в отличие от указанных на схеме (18 мм).
Микросхема DA1 должна устанавливаться на радиаторе. Микросхемы памяти DD15, DD16 заменяются на 537РУ6.
Реле К1, К2 использованы польского производства, но подойдут многие другие на рабочее напряжение обмотки 24...27 В и допускающие прохождение тока через контакты 5 А. Микропереключатели SA1 ...SA5 типа ПД9-2 или ПД9-1; SA6, SA7 — типа ПД21 -3.
При первоначальной проверке работы схемы ее лучше питать от лабораторного источника, контролируя потребляемый ток.
Настройка устройства при правильном монтаже заключается в установке на выходе источника питания напряжения 4,8 В и проверке работы записанных в память программ. Для получения высокой точности хода часов потребуется также точная подстройка при помощи конденсатора С1 частоты автогенератора по частотомеру. Частоту можно контролировать на выходе DD2/13 — она должна соответствовать 32768,0 Гц.
Точно подстроить автогенератор можно и без частотомера, контролируя за месяц отклонение хода часов по секундной стрелке в телевизоре, но это займет довольно много времени.
Установку любого времени можно выполнить и не используя кнопку SB1. Для этого потребуется переключатель SA1 установить в положение "ускорение" и дождавшись, когда на индикаторе будет нужное числовое значение, вернуть переключатель в обычное положение. Но такой метод установки времени менее точный, так как в этом случае счетчики секундных импульсов могут иметь произвольное значение числа.
Рис. 1.47 Структурная схема часов
Рис. 1.48 Электрическая принципиальная схема генератора минутных импульсов, узел А1
Рис. 1.49 Электрическая принципиальная узла А2
Рис. 1.50 Электрическая принципиальная схема блока индикации, узел А3
Рис. 1.51 Соответствие входных сигналов сегментам индикатора
Рис. 1.52 Электрическая принципиальная узла А4
Рис. 1.53 Электрическая принципиальная схема источника питания, узел А5
15. Электрический способ борьбы с крысами и мышами
Электрический способ борьбы с крысами и мышами
Многие, у кого имеется погреб или подвал с хранящимися зимой продуктами, с огорчением вспоминают ущерб, причиняемый грызунами. Не съедят, так покусают и испортят. Кроме того, они являются разносчиками инфекционных болезней.
Крысы отличаются умом, и их довольно сложно поймать. Химический способ борьбы (с помощью ядов) дорогостоящ. Предлагаемое устройство является экологически чистым, отличается простотой и не потребует больших затрат, при этом обеспечивая надежное уничтожение грызунов.
Рис. 4.1. Конструкция ловушки
Принцип работы приспособления аналогичен электрическому стулу, при меняемому в США для казни преступников, но в миниатюрном исполнении. К контактным токопроводящим площадкам, рис 41, подводится напряжение не менее 380 В (например можно подключить две фазы от трехфазного напряжения). Если использовать одну фазу и общий провод (220 В), то устройство будет не всегда убивать — враг пискнет и убежит. Когда трехфазное напряжение не подведено и его сложно найти поблизости, можно воспользоваться повышающим трансформатором с соответствующим напряжением во вторичной обмотке (или автотрансформатором). Обычный трансформатор для увеличения выходного напряжения можно включить в режиме, повышающем напряжение автотрансформатора. Но в этом случае устройство будет потреблять электроэнергию в ждущем режиме (ток холостого хода трансформатора), что нежелательно.
Само приспособление удобно выполнять из листа стеклотекстолита, сняв при помощи резака и ножа лишние участки фольги и подпаяв соединительные провода. Аналогичную конструкцию можно сделать и из медной фольги, закрепив ее на диэлектрическом (не впитывающем влагу) основании. При этом должен быть исключен случайный контакт токопроводящих поверхностей ловушки с землей (жесткое крепление на месте установки).
Рис. 4.2. Схема подключения
Для того чтобы привлечь внимание крысы и заманить ее, в центр устройства кладем приманку, например кусочек мяса, и подключаем напряжение. После этого раз в день проверяем ловушку и выкидываем убитых грызунов. Но не следует забывать, что применяемое напряжение представляет опасность для жизни не только грызунов, особенно в условиях подвала, и в целях электробезо пасности желательно установить реле К1 (рис. 4.2) на соответствующее рабочее напряжение, которое будет отключать питание ловушки при включении света в подвале или открывании двери (при установке концевого выключателя F1 на входной двери). Общий выключатель SA1 должен обязательно отключать оба провода.
Устройство не может вызвать пожара, и практика его применения показала высокую эффективность.
Рис. 4.1. Конструкция ловушки
Рис. 4.2. Схема подключения
16. Простой металлоискатель
Простой металлоискатель
При ремонтных работах, когда в квартире приходится сверлить стены, есть вероятность наткнуться на металлическую арматуру, трубы или проводку. Чтобы этого не случилось, удобно воспользоваться металлоискателем для точного определения их места. Устройство позволяет на расстоянии до 20 см обнаруживать любой металлический предмет. Дальность обнаружения зависит только от площади металлического предмета. Для тех, кому этого расстояния недостаточно, например искателям кладов, можно порекомендовать увеличить размеры рамки (что должно увеличить и глубину обнаружения).
Рис. 4.3. Электрическая схема металлопскателя
Электрическая схема, рис. 4.3, собрана на транзисторах, работающих в режиме микротоков, и состоит из ВЧ генератора (100 кГц) на VT1, который настраивается резистором R1 на максимальную чувствительность к металлическим предметам. В качестве катушек L1 и L2 используются две рамки, рис. 4.4. Транзисторы VT2, VT3 включены как диоды и обеспечивают стабилизацию режимов автогенератора — VT1 и активного детектора на VT4 при изменении напряжения питания и температуры. Резистор R6 устанавливает чувствительность металлоискателя. На транзисторах VT5 и VT7 собран звуковой автогенератор, который включается транзистором VT6. Для того чтобы обеспечить громкий звук пьезоизлучателя HF1, параллельно включена катушка L3, что увеличивает напряжение на пьезоизлучателе за счет резонанса между внутренней емкостью HF1 и индуктивностью L3.
При попадании в поле катушек L1-L2 металлического предмета частота генератора меняется, что приводит к уменьшению амплитуды напряжения на входе детектора (VT4) — он запирается, а транзистор VT6 откроется, что разрешает работу звукового генератора.
Рис. 4.4. Расположение катушек L1, L2 и вид конструкции металлоискателя
Рис. 4.5. Топология печатной платы и расположение элементов
шает работу звукового генератора. Данная схема по сравнению с аналогичными устройствами, использующими принцип биений частот, обеспечивает большую чувствительность и проще в изготовлении.
В качестве источника питания применена батарея типа "Корунд" или "Крона" (9 В), но может использоваться и любой стационарный источнике напряжением 6...10 В. Ток потребления в дежурном режиме не более 1,5 мА, при работе звукового сигнала — 7 мА.
Все элементы схемы размещены на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита, рис. 4.5. Корпус для рамки выполняется из любых диэлектрических материалов, например склеивается из оргстекла. Катушки L1 и L2 одинаковые и содержат по 40+40 витков провода ПЭЛ диаметром 0,25 мм (периметр катушек 340 мм); L3 наматывается на двух склеенных вместе ферритовых кольцах типоразмера К10х6х3 мм марки 400...1000НМ — 250...300 витков провода ПЭЛ диаметром 0,1 мм.
Подстроенные резисторы R1 и R6 типа СП5-16В, остальные могут быть любыми малогабаритными. Конденсаторы применены: С7 — типа К50-35 на 16В, остальные типа К10-17. Диод VD1 можно заменить любым импульсным. Микровыключатель SA1 типа ПД-9-2.
При настройке устройства, если не удается получить генерации на VT1 с помощью регулировки резистором R1 (контролировать осциллографом напряжение на этом резисторе), потребуется изменить фазу подключения выводов катушки L1. При регулировке схемы на максимальную чувствительность к металлическим предметам может потребоваться изменить расстояние перекрытия катушек А (рис. 4.4), после чего рамки катушек фиксируются клеем.
Рис. 4.3. Электрическая схема металлопскателя
Рис. 4.4. Расположение катушек L1, L2 и вид конструкции металлоискателя
Рис. 4.5. Топология печатной платы и расположение элементов
17. Прерыватель тока
Прерыватель тока
Иногда в конструкциях (от игрушек до сигнализации) требуется прерывистая работа индикаторов, сирены или аварийной мигалки. Это необходимо, чтобы обеспечить экономичность работы, т. к. значительно снижает потребляемую энергию, что особенно важно, если источником питания является батарея или аккумулятор, например в автомобиле.
Обычно такие устройства, для получения малых габаритов, выполняют на КМОП микросхеме (генератор импульсов) и Транзисторе (усилитель тока). Схема получится проще, если собрать генератор на электронных переключателях К561КТЗ, рис. 4.6. Они так же, как и все микросхемы КМОП серии, работают в режиме микротоков, но могут коммутировать ток до 200 мА, а большое входное сопротивление управляющих входов позволяет не использовать электролитические конденсаторы, что повышает надежность устройства. Если требуется включать нагрузку с большим потребляемым током, вместо светодиодов устанавливается реле К1, рис. 4.7.
На элементах микросхемы D1.1 и D1.2 собран генератор импульсов с периодом 3 с (длительность около 1 с), a D1.3, D1.4 используются как коммутаторы тока через светодиоды. Электронные ключи замыкаются при появлении на управляющем входе лог. "1". Период и длительность импульсов можно легко установить любую с помощью резисторов R1, R2 (или С1) соответственно.
Pис. 4.6. Электрическая схема прерывателя
Рис. 4.7. Подключение реле для коммутации мощной нагрузки
Схема может работать от источника питания с напряжением от 3 до 15 В. При этом яркость свечения светодиодов зависит от номиналов резисторов R4 и R5. Светодиоды и резисторы подойдут любого типа. Конденсаторы применены типа К10-17. Если использовать реле, то вместо соответствующего резистора на входе ключа ставится перемычка, а напряжение питания схемы должно соответ ствовать рабочему для реле, но не более 15В, так как для микросхемы это напряжение является максимально допустимым.
Топология односторонней печатной платы и расположение на ней элементов приведены на рис. 4.8 (извилистой тонкой линией показана необходимая объемная перемычка).
Pис. 4.8. Топология печатной платы и расположение элементов
Pис. 4.6. Электрическая принципиальная схема прерывателя
Pис. 4.8. Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 4.7. Подключение реле для коммутации мощной нагрузки
18. Широкодиапазонный таймер
Широкодиапазонный таймер
В литературе публиковалось много схем простых электронных таймеров. Такие схемы, как правило, имеют дискретное переключение временных интервалов в очень ограниченном диапазоне. При этом некоторые положения переключателя не используются, а временных интервалов, наиболее часто необходимых, нет, или же они устанавливаются с невысокой точностью (что характерно для схем, использующих процесс заряда конденсатора).
Приведенная на рис 4.9 схема таймера позволяет устранить все перечисленные недостатки и обеспечивает возможность устанавливать десять любых фиксированных временных интервалов в диапазоне от 3 с до 16659 мин. Количество временных интервалов легко может быть увеличено, если применить микропереключатель SA2 на большее число положений. Переключатель SA1 устанавливает диапазон отсчета временного интервала: минуты (М) или секунды (С).
Устройство собрано на трех КМОП микросхемах, что обеспечивает малое потребление тока (0,25 мА) и позволяет использовать автономное питание от аккумуляторов напряжением от 5 до 12 В (применены четыре элемента Д-0.26Д).
Таймер, кроме звуковой сигнализации, может работать совместно со стационарным бестрансформаторным блоком питания (рис. 4.10), что позволяет управлять включением мощной нагрузки (до 2 кВт, например обогревателя) на необходимый интервал. При этом от стационарного блока происходит также подзаряд аккумуляторов.
Pис. 4.9. Электрическая схема таймера
Схема устройства состоит из задающего генератора минутных (секундных) импульсов на микросхеме D1, счетчика с изменяемым коэффициентом деления D2 и RS-триггера, собранного на логических элементах D3.2...D3.4.
Pис. 4.10. Сетевой источник питания таймера с электронным
включением нагрузки
Звуковым излучателем является пьезозвонок ЗП-25 (ЗП-18), включенный параллельно с катушкой L1. Катушка позволяет за счет резонансных колебаний в контуре между емкостью излучателя и индуктивностью L1 значительно повысить громкость звука.
При использовании микросхемы D1 совместно с кварцем отпадает необходимость в точной настройке задающего генератора.
Включение таймера производится кнопкой SB1 при предварительной установке нужного временного интервала переключателями SA1 и SA2. Кнопка SB2 служит для отмены отсчета временного интервала.
В исходном состоянии на выводах D3/11 лог. "1", D3/4 — "0". Нулевое со стояние на входах М счетчика запрещает его работу в режиме счета (производится только запись установленного коэффициента деления). При включении таймера (SB1) триггер переключится (D3/4 — "1"), и начинает работать счетчик D2. Через интервал времени, заданный двоичным кодом на входах, на выходе D2/23 появится лог. "1". Этот сигнал разрешает прохождение звуковой частоты от D1/11 через D3.1 на базу VT1 и HL1.
Длительность работы звукового сигнала зависит от постоянной времени цепи заряда R4-C3. Как только напряжение на СЗ достигнет порога срабатывания элемента D3.2, триггер вернется в исходное состояние. При этом запирающее напряжение через диод VD2 и резистор R6 поступает на базу VT1.
Правила установки любого коэффициента деления для счетчика 561ИЕ15 подробно описаны в разделе 1. Так, например, для коэффициента деления N=480 (P1=P2=P5=0):
N=M(1000Р1 +100Р2+10РЗ+Р4)+Р5=10(10х4+8)=480
На схеме показаны положения перемычек переключателя SA2 для коэффициентов деления 480, 240, 120, 60, 20. В зависимости от положения SA1 на вход D2/1 будут поступать секундные или минутные импульсы. При этом выдерживаются интервалы, соответствующие 8 мин (ч), 4 мин (ч), 2 мин (ч), 1 мин (ч) и 20 с (20 мин). Одни и те же интервалы можно получить в зависимости от выбора М, разной комбинацией сигналов на входах Р1...Р5 счетчика.
При подключенном таймере к стационарному источнику питания транзистор VT2, совместно с VT3 и VT4, управляет симисторным коммутатором VS1. Включение нагрузки производится кнопкой SB1, а выключение выполняется автоматически, через заданный интервал, или кнопкой SB2 в любое время.
В схемах использованы резисторы С2-23, конденсаторы С1, С2 типа К10-17, СЗ...С5 — КМ-6. Номиналы могут отличаться от указанных на 20%. Диоды VD1..VD3 подойдут любые импульсные. Транзистор КТ3107 можно заменить на КТ361 Г. Симистор VS1 может применяться на меньший или больший рабочий ток, а также подойдет оптронный симистор ТС0142-50-6, включенный аналогично приведенной на рис. 4.11 схеме. Симистор устанавливается на радиатор.
Переключатель SA1 типа ПД9-2, SA2 — ПР2-5П2НВ, кнопки SB1, SB2 — любые малогабаритные (их легко можно сделать самостоятельно из пружинящих контактов разобранного реле). Микросхемы 561-й серии заменяются на 564-ю.
Катушку L1 можно взять от неисправных электронных часов или изготовить, намотав на двух склеенных ферритовых (600...1000НМ) кольцах типоразмера К10х6х3 мм примерно 250...300 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,1 мм. Импульсный трансформатор Т1 наматывается проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм на ферритовом кольце К20х12х6 мм — 2000...4000НМ1 и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 60 витков. Перед намоткой острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, иначе они могут прорезать провод. После намотки и пропитки катушки лаком или парафином необходимо убедиться в отсутствии утечки (сопротивления) между обмотками.
При правильной сборке и исправных деталях настройка таймера не требуется. Проверку работоспособности устройства удобнее начинать с минимальных временных интервалов (положение переключателя SA1 — "С"). Настройка блока питания и электронного коммутатора заключается в подборе номинала резистора R17 на максимум напряжения в нагрузке (выполняется при отключенном резисторе R16). Если не удается получить максимальное выходное напряжение, то потребуется поменять фазировку одной из обмоток Т1.
Данное устройство имеет один недостаток: требуется заранее установить временной интервал, так как для его записи в регистры счетчика требуется три такта входных импульсов. Как правило, приходится редко изменять установленный интервал и это незаметно.
Pис. 4.10. Сетевой источник питания таймера с электронным включением нагрузки
Pис. 4.9. Электрическая схема таймера
19. Ступенчатое включение мощной нагрузки
Ступенчатое включение мощной нагрузки
Устройство предназначено для постепенной подачи сетевого напряжения в активную нагрузку.
Из опыта известно, что наиболее часто мощные лампы и нагреватели выходят из строя в момент включения. Это связано с тем, что нагревательная нить лампы в холодном состоянии имеет сопротивление более чем в 10 раз меньшее, чем при прогреве. Из-за чего возможен бросок тока при подаче напряжения. Если же включение случайно попало на момент действия в сети максимальной амплитуды напряжения, возникает импульсная перегрузка.
Приведенная на рис. 4.11 схема облегчает режим работы нагрузки, снижая броски тока за счет постепенного (в течение 4 с) увеличения амплитуды подаваемого напряжения. Это позволяет значительно продлить жизнь ламп, кроме того, снижается уровень сетевых помех в момент включения. Электрическая схема работает следующим образом. Электронным симисторным коммутатором VS1 управляет генератор на однопереходном транзисторе VT1.
Рис. 4.11. Электрическая схема
Генератор синхронизирован с частотой сети, так как он питается пульсирующим напряжением, рис. 4.12. В зависимости от величины резисторов R3 и R4 время заряда С1 может меняться, т. е. меняется угол открывания оптронного симистора. Как только напряжение на конденсаторе достигнет порога открывания VT1, С1 быстро разрядится через ограничительный резистор R1 и светодиод оптрона.
Pис. 4.12. Форма напряжения
Для открывания симистора при любой окружающей температуре, через светодиод должен проходить ток не менее 80...100 мА. Использование однопереходного транзистора позволяет иметь источник питания схемы управления небольшой мощности, так как необходимая для открывания симистора энергия накапливается на конденсаторе С1 и отдается в течение короткого импульса.
При включении, в начальный момент, транзистор VT2 заперт (примерно в течение 4 с), так же, как и VT3. От номинала резистора R3 зависит, какое минимальное начальное напряжение будет подано в нагрузку А1. Как только С2 зарядится, появится ток через VT3, что приведет к открыванию VT2, — резистор R3 будет закорочен переходом эмиттер-коллектор транзистора. Это уменьшит время заряда С1, т. е. транзистор VT1 сформирует импульс для открывания VS1 раньше. Номинал резистора R4 подбираем так, чтобы при этом было максимальное напряжение в нагрузке.
Так как в схеме облегчается режим работы симистора VS1, устройство позволяет коммутировать суммарную мощность нагрузки до 10000 Вт.
В схеме применены резисторы МЛТ, а конденсаторы С1 — К73-9, С2, СЗ — К52-1Б на 63 В. Оптронный коммутатор устанавливается на радиатор (при использовании схемы с нагрузкой до 500...1000 Вт в нем нет необходимости).
Топология печатной платы приведена на рис. 4.13.
Рис. 4.13. Топология печатной платы и расположение элементов
Pис. 4.12. Форма напряжения
Рис. 4.11. Электрическая схема
Рис. 4.13. Топология печатной платы и расположение элементов
20. Управление освещением с любого пульта ДУ
Управление освещением с любого пульта ДУ
В продаже уже появились импортные устройства аналогичного назначения, но по достаточно высокой цене. Такое приспособление при желании несложно сделать самостоятельно, причем без больших материальных затрат.
Привычной частью современного телевизора или музыкального центра является пульт дистанционного управления (ДУ) на ИК-лучах. Таким пультом можно также управлять и освещением с помощью небольшой приставки. При этом нажимается одна из кнопок (редко используемых). Предлагаемое устройство позволяет с любого пульта ДУ на расстоянии до 5 м включать и выключать нагрузку, например освещение.
Обычно для управления работой телевизора приходится держать нажатой кнопку пульта не более 1 с. Предлагаемое устройство выполняет переключение нагрузки, если кнопка на пульте нажата в течение времени более 2 с. Этот алгоритм выделения команды для управления переключением позволяет значительно упростить электрическую схему.
Рис. 4.14. Приемник ПК-импульсов
Устройство состоит из приемника ИК-импульсов, рис. 4.14, и блока управления, рис. 4.15. В качестве приемника можно взять любую из типовых схем, применяемых в телевизорах для ДУ. Узел управления собран на трех КМОП микросхемах и состоит из формирователя широких импульсов (D1.1), селектора двухсекундного временного интервала (D1.2) и двоичных счетчиков на элементах триггеров D2...D3. Кнопки SB1 и SB2 позволяют включать и выключать нагрузку без пульта ДУ.
Индикатором срабатывания последнего триггера (D3.2) является свечение светодиода HL1. Оптронный ключ VS1 обеспечивает электрическую развязку блока управления от сети 220 В, что позволяет получить хорошую устойчивость схемы к помехам.
Рис. 4.15. Схема узла управления
Вместо оптрона оконечный каскад управления лампой можно выполнять на обычном симисторе по схеме, показанной на рис. 4.16.
Рис. 4.16. Схема подключения симистора
На рис. 4.17 приведены диаграммы напряжений в контрольных точках, поясняющие работу блока управления. В начальный момент подачи питания на схему, цепь из элементов C4-R5 обеспечивает установку триггера в D3.2 в исходное состояние (лог. "0" на выходе 1).
При нажатой кнопке на пульте ДУ из приходящих пачек импульсов на входы элементов D1.1 и D1.2 формируются более широкие. Триггер D1.2 через 2 с обеспечивает установку счетчиков D2, D3.1 в исходное состояние (формирует импульс обнуления на выходе D1/12).
Схема устройства не критична к выбору деталей и их номиналы могут отличаться от указанных на 30%. Все постоянные резисторы применены типа МЛТ, подстроенный R1 — типа СП4-1. Неполярные конденсаторы типа К10-17, электролитические СЗ и С5 (для приемника С1, С2 и С5, Сб) типа К53-16. Диоды КД522 можно заменить любыми импульсными. Стабилизатор напряжения D4 (импортный аналог 78L12) заменяется более распространенным из серии КР142ЕН8Б.
Трансформатор Т1 типа ТП112-8-1, но также подойдет любой из тех, что применяется в отечественных телевизорах для питания в дежурном режиме или в игровых приставках типа ДЕНДИ. Необходимое напряжение вторичной обмотки — 15...20 В, и ток — не менее 10 мА.
При подключении вместо оптронного ключа симистора, импульсный трансформатор Т2 выполняется на ферритовом кольце типоразмера К16х10х4 мм марки М4000НМ1 или М2000НМ проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 60 витков. Перед намоткой острые грани сердечника необходимо закруглить надфилем, иначе они прорежут провод и будет замыкание между обмотками.
Рис. 4.17. Диаграмма напряжений
Конструктивно все устройство собрано в корпусе с размерами 110х88х44 мм. Печатная плата приемника ИК-импульсов, рис. 4.18, помещается в экран из медной фольги, что необходимо для исключения влияния помех. Для монтажа схемы блока управления использована универсальная макетная плата, а соединения выполнялись проводами.
Рис. 4.18. Печатная плата схемы приемника ИК-импульсов
Приставка проверена в работе с пультами ДУ от импортных телевизоров разных фирм — АКА1, SAMSUNG, PANASONIC. Но так как у каждого пульта свое соотношение между длительностью кодовой посылки и интервалом, для четкого срабатывания переключения может потребоваться подстройка схемы резистором R1 (или подбора номинала конденсатора С1).
Рис. 4.14. Приемник ПК-импульсов
Рис. 4.15. Схема узла управления
Рис. 4.16. Схема подключения симистора
Рис. 4.17. Диаграмма напряжений
Рис. 4.18. Печатная плата схемы приемника ИК-импульсов
21. Электронное зажигание для газовой плиты
Электронное зажигание для газовой плиты
Современные газовые плиты выпускаются промышленностью с уже имеющимся встроенным электронным зажиганием газа. Что довольно удобно и более безопасно, чем использование спичек или ручной зажигалки. Но в стране имеется еще большое количество старых плит, не оборудованных такими устройствами. В этом случае может быть полезным применение схемы на рис. 4.19. Она довольно простая, что позволяет изготовить устройство самостоятельно.
Рис. 4.19. Электрическая схема преобразователя
Рис. 4.20. Расположение электрода поджига вблизи газовой горелки
Электрическая схема состоит из умножителя, повышающего в два раза сетевое напряжение на конденсаторах С1...С4. Конденсаторы заряжаются через резистор R1 и соответствующий диод, а при достижении напряжения величины 650 В открывается тиристор VS1 (напряжение открывания тиристора зависит от номиналов элементов — резистора R4 и емкости С5).
Рис. 4.21. Топология печатной платы
зависит от номиналов элементов — резистора R4 и емкости С5). В этом случае происходит быстрый разряд конденсаторов через открытый тиристор и малое сопротивление первичной обмотки трансформатора Т1. В результате этого на вторичной обмотке трансформатора появляются импульсы высокого напряжения. Выводы трансформатора высоковольтным проводом соединяются с электродами, расположенными вблизи от газовых горелок, рис. 4.20. В качестве электродов, для поджига газа, можно воспользоваться отслужившими свой срок автомобильными свечами. Для этого потребуется снять с них металлическую рубашку (ножовкой по металлу) и закрепить под крышкой на диэлектрической пластине. При этом, если нажать кнопку SB1, искра будет появляться между двумя горелками одновременно. Если же горелок четыре (что наиболее часто встречается), то вторичных обмоток у трансформатора должно быть две и они могут иметь по 1000...1200 витков.
Настройка схемы заключается в подборе номинала резистора R4 (контролируя осциллографом напряжение на конденсаторах) таким, чтобы тиристор открывался периодически и синхронно с сетевыми заряжающими конденсаторы импульсами.
В схеме применены детали: резисторы R1 — ПЭВ-25, остальные типа МЛТ; конденсаторы С1...С4 типа МБМ, С5 — любого типа. Диоды можно заменить любыми выпрямительными на ток не менее 0,5 А и допустимое обратное напряжение не менее 400 В.
Конструкция высоковольтного трансформатора аналогична используемому в электрошоковом устройстве (см. рис. 2.27), но можно применить и трансформатор промышленного изготовления от электронных устройств зажигания газа.
Все элементы схемы, кроме резистора R1 и трансформатора Т1, расположены на печатной плате, рис. 4.21.
Вся конструкция закрывается диэлектрическим корпусом подходящих размеров, а кнопка SB1 закрепляется на корпусе плиты в удобном месте.
Рис. 4.19. Электрическая схема преобразователя
Рис. 4.20. Расположение электрода поджига вблизи газовой горелки
Рис. 4.21. Топология печатной платы
22. Зависимое включение двух разных устройств
Зависимое включение двух разных устройств
Некоторые из электро- и радиоприборов работают совместно. Например, при использовании активной телевизионной антенны было бы удобно, если блок питания антенного усилителя сам включался при включении телевизора и автоматически выключался при его отключении. Это избавляет от необходимости следить за состоянием вспомогательных устройств (ведомого) при включении главного (ведущего). Удобно также иметь вечером небольшую фоновую подсветку за телевизором — это меньше утомляет зрение при длительном просмотре телепередач.
Данную задачу выполняет приведенная на рис. 4.22 схема. При появлении тока через нагрузку, подключенную к гнездам XS1, напряжение, снимаемое с автотрансформатора Т1, выпрямляется диодами VD1, VD2 и через резистор R1 подается на управление коммутатором VS1. Оптоэлектронное реле VS1 из серии КР293 (маркировка на корпусе 5П19Т1) позволяет коммутировать любую нагрузку с потребляемым током до 1 А (200 Вт), подключенную к гнездам XS2. При этом падение напряжения на ключе VS1 не превышает 2 В.
Рис. 4.22. Электрическая схема приставки
В данной схеме имеется возможность дистанционного управления включением устройств, если главное (например телевизор) имеет такую возможность (в дежурном режиме телевизор потребляет маленький ток, что недостаточно для включения электронного коммутатора).
Трансформатор Т1 является самодельным и выполнен на основе широко распространенного телефонного (используются в старых моделях телефонных аппаратов). Для этого потребуется снять с него одну верхнюю обмотку и на ее месте расположить 120 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,5 мм. Остальные обмотки подключаются по схеме повышающего напряжение автотрансформатора. Это увеличивает минимальную чувствительность устройства. Для трансформатора может также использоваться ферритовый магнитопровод М2000НМ1 типоразмера Ш5х5 мм. Чувствительность схемы к минимальному току нагрузки зависит также от числа витков в первичной обмотке (4-6).
В схеме могут применяться любые диоды на ток не менее 100 мА. Резистор использован МЛТ, полярные электролитические конденсаторы типа К50-35 или аналогичные.
Печатная плата для схемы не разрабатывалась, а монтаж выполняется объемным монтажом. Вся конструкция размещена в пластмассовом корпусе с размерами 90х50х30 мм.
Налаживание устройства удобно проводить при подключенной лампе и вольтметре к гнездам XS2 и сводится к подбору номинала резистора R1 так, чтобы ключ VS1 полностью открывался при реальной нагрузке, подключенной к гнездам XS1. Максимально допустимая мощность нагрузки ведущего устройства, подключенного к гнездам XS1, составляет 200 Вт. Она может быть увеличе на, при увеличении диаметра провода в первичной обмотке автотрансформатора (при этом число витков в первичной обмотке можно уменьшить).
Приведенная схема не потребляет энергию в ждущем режиме. Она проще в изготовлении и содержит меньше деталей по сравнению с устройством аналогичного назначения, опубликованным в журнале Радио N 8, 1996.
Рис. 4.23. Схема приставки для управления мощной нагрузкой
При необходимости включать более мощную нагрузку ведомого устройства можно использовать промежуточное реле (включаемое к гнездам XS2) с контактами на необходимый ток или же собрать аналогичную схему коммутатора с более мощным тиристором, рис. 4.23.
Рис. 4.22. Электрическая схема приставки
Рис. 4.23. Схема приставки для управления мощной нагрузкой
23. Сетевой сигнализатор
Сетевой сигнализатор
Уходя из квартиры, нужно не забыть выключить свет и бытовые приборы. Предлагаемое устройство сигнализатора напомнит об этом.
Данный блок является индикатором наличия тока в цепи и может быть установлен в квартире вблизи сетевого распределительного щитка (рис. 4.24), а диод размещается на видном месте около входной двери. Светодиод будет све титься только в том случае, если в сетевой цепи протекает ток. Как правило, в современных квартирах имеется не менее двух сетевых контуров подводки напряжения. По одной цепи подключены все розетки, а второй контур используется для подачи напряжения на освещение (через соответствующие включатели). Несложно установить такие схемы индикаторов по каждой из цепей. Для питания холодильника потребуется проложить отдельные провода от щитка, где индикатор тока в цепи не нужен.
Рис. 4.24. Индикатор тока в цепи
Приведенная схема индикатора имеет порог чувствительности к мощности подключенной нагрузки примерно 40 Вт. В этом случае работа бытовых радиоприборов в дежурном режиме, таких, как телевизор, видеомагнитофон, часов и др., не вызовет свечения индикатора.
Для изготовления токового трансформатора Т1 взят унифицированный телефонный трансформатор, с каркаса которого снимается верхняя обмотка и на ее месте (4-6) наматываются витки до заполнения свободного места проводом ПЭЛ-2 диаметром 1 мм. В этом случае Т1 позволяет попускать через себя ток до 15 А (мощность 3 кВт).
Светодиод HL1 подойдет любой, с малым потребляемым током при свечении, например из серии КИПД.
Схема в дежурном режиме не потребляет энергии и абсолютно безопасна в работе и удобна в подключении.
Рис. 4.24. Индикатор тока в цепи
24. Защита радиоаппаратуры от повышенного напряжения в сети
Защита радиоаппаратуры от повышенного напряжения в сети
Повышенное напряжение в сети может появиться в результате аварии. Особенно эта проблема актуальна в сельской местности или на даче, где такие явления не редки. Это связано с тем, что подходящие сетевые провода имеют открытую (воздушную) проводку и возможен их обрыв с замыканием.
Большая часть современной радиоаппаратуры имеет импульсные источники питания, которые в случае перегрузки выходят из строя. Постоянно контролировать сетевое напряжение неудобно, да и не эффективно. Ведь перегрузка при работающей радиоаппаратуре может произойти в любой момент времени. Предлагаемое устройство позволяет предотвратить повреждение электроприборов и радиоаппаратуры от повышенного напряжения.
Простейший вариант защиты аппаратуры от перегрузки можно выполнить, используя специальный разрядник, включенный после входных предохранителей. Он имеет такую характеристику, что пробой газа внутри корпуса происходит при превышении действующего напряжении выше 270 В. Сработавший разрядник имеет очень малое внутреннее сопротивление и закорачивает сетевую цепь. В этом случае просто перегорят плавкие вставки (или сработает защитный электромеханический автомат), что прервет подачу напряжения на все включенные бытовые устройства.
Основными недостатками разрядника является его дефицитность и нерегулируемый порог срабатывания.
Рис. 4.25. Электрическая схема защитного устройства
Приведенная схема, рис. 4.25, аналогична по принципу работы разряднику. Только вместо него использован более доступный электронный коммутатор — симистор. При этом порог открывания VS1 можно установить с помощью резистора R4 на уровне 260 В (действующее значение). Конденсатор С1 устраняет срабатывание схемы от кратковременных помех (выбросов). Устанавливать светодиод HL1 не обязательно, но его удобно иметь при настройке, когда управление симистором можно временно отключить.
Проверить работоспособность устройства и установить порог срабатывания защиты можно при помощи ЛАТРа (установив предохранители FU1 на небольшой ток — 1 ...2 А). В ждущем режиме схема потребляет ток не более 3 мА.
Pис. 4.26. Доработка схемы защитного устройства
Защитное устройство можно сделать более "умным", если дополнить его схемой, реагирующей на ток в цепи, рис. 4.26. (Работа ее описана в предыдущей статье, где также приведена методика изготовления токового трансформатора.) При этом устройство будет срабатывать только в том случае, если к сети подключены потребители энергии.
Pис. 4.26. Доработка схемы защитного устройства
Рис. 4.25. Электрическая схема защитного устройства
25. Микрофонный усилитель
Микрофонный усилитель
Схема микрофонного усилителя, рис. 4.27, отличается от аналогичных, опубликованных в литературе, малыми габаритами и глубокой автоматической регулировкой усиления (АРУ). Это позволяет использовать ее в составе радиостанции или кассетного магнитофона. Все устройство выполнено на одной микросхеме, имеющей в своем корпусе четыре универсальных операционных усилителя.
На элементе микросхемы DA1.1 собран неинвертирующий предварительный усилитель сигнала с микрофона. Это необходимо для эффективной работы автоматической регулировки усиления и снижения уровня шумов. Регулировка коэффициента передачи сигнала между каскадами осуществляется за счет изменения внутреннего сопротивления открытого транзистора VT1, включенного в делитель напряжения, образованный совместно с резистором R5. В исходном состоянии (при низком уровне входного сигнала) VT1 заперт и на прохождение сигнала влияния не оказывает.
Второй каскад усилителя собран на элементе DA1.2. Полоса усиливаемых частот от 50 Гц до 50 кГц. Номинальное выходное напряжение 200 мВ. Элемент DA1.3 является повторителем сигнала, что улучшает согласование схемы с нагрузкой.
Pис. 4.27. Электрическая схема микрофонного усилителя
Для работы системы АРУ используется усилитель на DA1.3 и детектор уровня сигнала на транзисторах VT2, VT3. Время восстановления схемы (инерционность) задается конденсатором С12. При изменении входного напряжения на 50 дБ — выходное меняется не более чем в 2 раза.
В схеме применены полярные конденсаторы типа К50-16, остальные К10-17; резисторы МЛТ.
При правильной сборке схема будет работать сразу, но элементы, отмеченные звездочкой "*", могут потребовать подбора. Так, изменением величины резистора R10 необходимо добиться в точке делителя, указанной на схеме, напряжения 1,15 В. Это напряжение подается на входы усилителей и обеспечивает начальное смещение для работы микросхем на линейном участке характеристики. В этом случае, при перегрузке, ограничение сигнала будет симметричным. От номиналов резисторов R3 и R7 зависит коэффициент усиления каскадов.
Pис. 4.27. Электрическая схема микрофонного усилителя
26. Как из монитора сделать телевизор
Как сделать из монитора телевизор
У многих, кто начинал свое знакомство с компьютерами из семейства ZX-SPECTRUM, БК-001 и др., имеется цветной монитор типа 32ВТЦ-202 (МС 6113.02) или аналогичный. Если этот монитор уже не используется по своему прямому назначению, то предлагаемая доработка схемы позволяет превратить его в современный телевизор с дистанционным управлением на ИК-лучах. Для этого потребуется к уже имеющимся в мониторе блокам установить часть недостающих узлов: модуль цветности, радиоканал и блок управления. Их лучше приобрести уже готовые. Узлы эти унифицированны и легко устанавливаются внутри корпуса на металлическом каркасе (калитке). Это не потребует больших материальных затрат и много времени.
Имеющуюся в мониторе плату видеоканала и блок управления необходимо удалить (они в дальнейшем не используются). А для удобства крепления новых плат фильтр блока питания и сам блок питания перемещаются глубже внутрь основания корпуса.
При доработке схемы монитора применены новые узлы:
- блок радиоканала БРК-3-32 (от телевизора Ц-415);
- модуль цветности МЦ-31 (подойдет любой модификации);
- модуль управления МСН-405 с блоком БПД-45, а также пульт ДУ на ИК-лучах;
- динамик типа 0.5ГД-36 (для него имеются уже установочные отверстия на передней панели монитора).
Блок-схема электрических соединений узлов показана на рис. 4.28. На ней новые блоки, которые устанавливаются в корпусе, показаны пунктиром. На рисунке изображены только выполняемые соединения между блоками, в дополнение к уже имеющемуся монтажу.
Расположение блоков на каркасе внутри корпуса показано на рис. 4.29 (вид сзади). Блок радиоканала устанавливается в нижней части левой калитки. В верхней части той же калитки закрепляется модуль цветности. Блок питания располагается вертикально на своем родном кронштейне, выходным разъемом вверх.
В данном случае в качестве блока управления используется модуль МСН- 405 совместно с блоком дежурного режима БПД-45. Модуль МСН-405 устанавливают на месте снятого блока управления, используя металлический кронштейн. На месте его установки с лицевой стороны в корпусе телевизора прорезается отверстие под индикатор и органы управления. Блок дежурного режима и ПФП устанавливаются на основании внизу корпуса телевизора на освободившемся после перемещения БП месте. Динамик крепится справа внизу корпуса на имеющееся посадочное место с помощью саморезов.
Соединение блоков и модулей проводится жгутом, прокладку которого лучше начинать от источника питания до требуемых мест.
Для нормальной работы телевизора на плате МГСР, расположенной на модуле строчной развертки, потребуется выполнить доработку, рис. 4.30. Она заключается в установке транзистора КТ315 в разрыв цепи от разъема ХР1/13 (место для размещения указанных элементов на плате имеется). Это обеспечи вает инвертирование сигнала, что необходимо для нормальной синхронизации генератора внутри микросхемы.
Потребуется также на плате блока разверток установить дополнительные резисторы R1 и R2 (см. рис. 4.28). Они используются в дальнейшем для регулировки напряжения.
При настройке телевизора потребуется его комплексная регулировка. Для этого необходимо представлять себе принцип работы входящих в него узлов и иметь электрические схемы всех блоков. Объем книги не позволяет описывать этот процесс подробно. Например, можно порекомендовать познакомиться с книгой "Регулировка и ремонт цветных телевизоров", автор С. А. Ельяшкевич, или аналогичной.
В частности, в процессе регулировки выполняются операции в следующей последовательности:
- Проверить наличие номинальных напряжений на выходе источника питания.
- Установить напряжение примерно 30 В на модуляторе кинескопа (на блоке разверток резистор R1, см. рис. 4.28).
- Настроить при помощи блока МСН телевизор на любой принимаемый телевизионный сигнал-в соответствии с инструкцией по эксплуатации телевизора "Горизонт 51CTV-441".
Рис. 4.28. Схема соединений блоков
Pис. 4.29. Расположение узлов внутри корпуса
Pис. 4.30. Выполняемая доработка на плате модуля строчной развертки
- Для нормальной регулировки звука потребуется в модуле МСН-405 заменить резистор R34 на номинал 1 кОм, а подбором резистора R7 (из блока радиоканала БРК-3-32) настраивается минимальный уровень громкости. Максимальную громкость устанавливаем подстройкой резистором R28 на блоке радиоканала.
- После получения на экране изображения настраивается модуль цветности (МЦ-31). Комплексная регулировка телевизора проводится в соответствии с рекомендациями, изложенными в литературе. Следует лишь иметь в виду, что выходной каскад будет питаться пониженным напряжением (180 В).
- Последним этапом настройки является устранение геометрических искажений и центровка растра с помощью соответствующих регуляторов на платах блока разверток. При неустойчивой синхронизации она регулируется штатными элементами на МКР и МГСР соответственно. В указанной литературе методика настройки описана более подробно, но при этом необходимо учитывать состав данного телевизора.
Pис. 4.29. Расположение узлов внутри корпуса
Pис. 4.30. Выполняемая доработка на плате модуля строчной развертки
Рис. 4.28. Схема соединений блоков
6. Практические принципиальные схемы для дома
Краткое содержание:
1. Домашняя автоматика
Домашняя автоматика
Современный мир насыщен электронными устройствами, которые облегчают нашу жизнь. В данном разделе приведены простые и надежные схемы, которые помогут вам повысить удобства при пользовании различными домашними устройствами и приборами. По мнению автора этих работ, наилучшим радиотехническим устройством является то, которое можно не замечать, а оно при этом само будет выполнять все необходимые функции. К этой цели мы и постараемся приблизиться, раньше чем промышленность соберется удовлетворить наши потребности. Да и обойдется это Намного дешевле.
Некоторые приводимые схемы являются полезным дополнением к уже имеющейся радиоаппаратуре, другие же функционально независимы и легко размещаются в любом подходящем по размеру корпусе.
К числу автоматических устройств относятся и некоторые схемы, приведенные в других разделах, но размещены они там по близости тематики для удобства поиска.
1. Автоматический НЧ - видеовход телевизора
АВТОМАТИЧЕСКИЙ НЧ - ВИДЕОВХОД ТЕЛЕВИЗОРА
При просмотре видеокассет видеомагнитофон к телевизору можно подключать через антенный вход или использовать низкочастотный (НЧ) видеовход телевизора. В первом случае происходит двойное преобразование видеосигнала. В магнитофоне видеосигнал преобразуется в высокочаcтотный, а в телевизоре происходит обратное преобразование. В результате в сигнал вносятся искажения и возрастает уровень шумов, что заметно по качеству изображения на телевизоре при просмотре видеокассет.
Возникают и другие неудобства и проблемы, особенно при подключении импортных видеомагнитофонов.
Есть второй путь - подключить видеомагнитофон, используя НЧ- видеовход (видеоадаптер) телевизора. К сожалению, большинство отечественных телевизоров, особенно ранних выпусков, не имеют такого устройства, хотя и предусмотрено место для установки.
На рис. 1.1 приведена схема простого видеоадаптера для телевизора. Схему не потребуется включать и выключать, так как она включится в работу автоматически при появлении сигнала с подключенного видеомагнитофона. Устройство состоит из коммутатора видеосигнала на микросхеме D1.1 и транзисторе VT1, ключа изменения постоянной времени развертки на D1.2, а также селектора синхроимпульсов на VT2 и VT3 (используется для автоматического включения режима работы с видеомагнитофоном). Сигнал с выхода магнитофона через разделительный конденсатор СЗ и эмиттерный повторитель поступает в модуль радиоканала телевизора. Постоянная составляющая напряжения на эмиттере VT1 отключает работу радиоканала телевизора, и на вход видеоусилителя телевизора поступает только сигнал с видеомагнитофона.
Рис. 1.1
Звуковой сигнал с видеомагнитофона через конденсатор С1 и подстроечный резистор R4 поступает на звуковой вход телевизора. Резистором R4, при работающем видеомагнитофоне можно выставить громкость звука такую же, как и при приеме телевизионных программ. Предварительную проверку собранной схемы удобно проводить, подав импульсы (Т = 64 мкс, tи= 58 мкс) амплитудой 0,5 В от генератора на вход гнезда Х1/1, и проконтролировать их появление на эмиттере VT1 без искажений. Для этого к эмиттеру временно нужно подключить резистор R сопротивлением 470 Ом (показан пунктиром на схеме). Постоянная составляющая напряжения на резисторе при этом должна быть около 6,5 В (контролировать осциллографом). Это напряжение обеспечивает запирание модуля радиоканала телевизора при работе с видеомагнитофоном.
Схема видеоадаптера предназначена для установки в телевизоры моделей ЗУСЦТ. Конструктивно все устройство размещается на одной печатной плате, которая устанавливается в телевизоре на плату А1 модуля радиоканала (МРК-2-5) в разъем ХЗ, если он есть на плате, или же подпаивается к соответствующим контактам платы на месте этого разъема. Гнездо Х1 (любого типа) закрепляется на задней стенке телевизора и соединяется с платой адаптера двумя экранированными проводами длиной около 40 см.
В заключение отметим, что данный видеоадаптер можно использовать и для подключения простейшего бытового компьютера к телевизору. Для этого на вход видеоадаптера через ограничительный резистор 0.1...1 кОм (подобрать при подключении) подается синхросмесь сигналов с выхода компьютера.
Рис. 1.1 Автоматический НЧ - видеовход телевизора
2. Дистанционное переключение телевизионных программ
ДИСТАНЦИОННОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРОГРАММ
Это устройство будет полезным дополнением к телевизору, не имеющему дистанционного управления. Оно не требует элементов питания, как это имеет место в пультах ДУ на ИК-лучах, и значительно дешевле и проще, что делает возможным его изготовление и подключение даже неопытными в радиоэлектронике людьми.
Устройство может быть применено в моделях телевизоров ЗУСЦТ, (например РУБИН Ц231, Ц281 и др.), имеющих блоки псевдосенсорного выбора программ типа СВП-4-5, СВП-4-6, СВП-4-7. Схема устройства (рис. 1.2) позволяет последовательно (по кругу) переключать с помощью одной кнопки телевизионные программы.
Электрическая схема состоит из формирователя импульса на D1.1 (после нажатия и отпускания кнопки S1, что позволяет устранить эффект дребезга контакта), повторителя импульсов D1.2 и коммутатора на транзисторе VT1. Конденсатор С1 позволяет избавиться от наводок по длинным соединительным проводам (до 10 метров) от кнопки до схемы. Соединение с кнопкой лучше выполнять перевитыми между собой проводами. Микросхему D1 можно заменить на 1561ТМ2 или 564ТМ2. Транзистор подойдет любой, с аналогичной проводимостью, например КТ312, КТ3102, КТ3117. Конденсаторы С1 и С2 лучше использовать не электролитические, а любого другого типа. В качестве диода VD1 можно применить диоды типа Д2, Д9 или любые импульсные.
Рис. 1.2
Располагается схема внутри телевизора вблизи от блока переключения программ. Три соединительных провода удобно подпаять непосредственно к выводам микросхемы 155ИЕ9. Если соединительные провода от схемы до кнопки длиннее 10 метров, то для повышения помехоустойчивости устройства цепь питания схемы (2) полезно подключать не к выводу 16 микросхемы, а к цепи +12 В на плате.
При правильной сборке и исправных деталях схема настройки не требует и будет надежно служить вам многие годы.
Рис. 1.2 Дистанционное переключение телевизионных программ
3. Свет выключается автоматически
СВЕТ ВЫКЛЮЧАЕТСЯ АВТОМАТИЧЕСКИ
Данное устройство предназначено для использования его в прихожей квартиры дляавтоматического выключения света через 30..,90 секунд после его включения кнопкой SB1 (звонковой) или SB2 (внутри квартиры). Этого времени достаточно, чтобы раздеться.
Схема, рис. 1.3, состоит из тиристора VS1, который будет находиться в открытом состоянии в течение времени, пока идет заряд конденсатора С1. Кнопку SB2 можно установить рядом с уже имеющимся в квартире включателем света S1 (включателем удобно пользоваться, если свет нужен надолго, например при наведении порядка). Кнопка SB1 находится снаружи двери и является звонковой. При нажатии на нее зазвенит звонок и включится свет в прихожей на установленный при настройке интервал времени, что позволит при свете подойти к двери.
При работе схемы автомата в режиме освещения, лампа EL1 будет светиться вполнакала, так как она работает на одной полуволне сетевого
Рис. 1.3
напряжения, но этого вполне достаточно для освещения, а увеличить яркость можно, увеличив мощность лампочки.
При желании схему легко дополнить еще одной кнопкой — SB3 (включенной параллельно с кнопкой SB2), которая будет связана с дверью и при ее открывании включит свет. Устройство может найти и другие применения, например для включения света в подвале. В этом случае кнопка SB1 и звонок не нужны, а время работы освещения можно увеличить, применив конденсатор С1 большей емкости (в схеме применен конденсатор типа К50-29 на 300 В) или подобрав резистор R2. Для стабильной работы схемы ток утечки у конденсатора должен быть минимальным. В качестве кнопки SB2 удобно использовать любой двухсекционный включатель света, доработав одну секцию для использования ее в качестве кнопки. Для этого под подвижный контакт подкладывается пористая резина, которая не позволит одной секции включателя находиться в фиксированном состоянии после нажатия на нее. Имеющуюся кнопку звонка можно доработать, дополнив ее еще одним контактом, но если у вас есть реле с рабочим напряжением 220 В можно обойтись одной группой контактов. При этом реле включается параллельно со звонком и при его срабатывании своими контактами (работающими вместо второй группы контактов кнопки) разряжает С1.
Топология печатной платы и расположение на ней элементов приведено на рис. 1.4.
Рис. 1.4
По сравнению с другими опубликованными устройствами аналогичного назначения данная схема имеет меньшие габариты, не содержит дефицитных деталей и проще в изготовлении и подключении.
Иногда хочется иметь постоянную подсветку, например в коридоре. Подсветка не потребляет много энергии (7...15 Вт), но экономичней, если она будет работать только в темное время суток. Включать и выключать
подсветку вручную не всегда удобно. Тем более что это успешно может выполнять автоматика.
Электрическая схема автоматического включателя приведена на рис. 1.5. Она состоит из усилителя (VT1) сигнала с фотодатчика R2, генератора импульсов на однопереходном транзисторе VT2 и симисторного коммутатора VS1.
Рис. 1.5
Фоторезистор в зависимости от освещенности меняет свое сопротивление от 1 к0м (при максимальном освещении) до сотен кОм (в темноте). Этот сигнал усиливается транзистором VT1, который, как правило, находится в насыщении или закрыт - это зависит от освещенности датчика R2. Если транзистор VT1 закрыт, то работает генератор на транзисторе VT2. Принцип работы генератора основан на свойстве однопереходного транзистора разряжать конденсатор С2 через базу 1 при превышении напряжения на нем порогового значения (база 2). Периодический разряд конденсатора С2 через обмотку 1 трансформатора, формирует во вторичной обмотке импульсы открывания симистора VS1.
Нагрузкой симистора может быть лампа мощностью от 5 до 2000 Вт Сама схема управления потребляет не более 1,3 Вт и для уменьшения габаритов имеет бестрансформаторное питание.
Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы фотодатчик раполагался удаленно от зоны освещения.
Нужная чувствительность схемы к освещенности устанавливается резистором R3.
В устройстве применены детали: R2 типа СФ2-19 (ФСК-1), R3 - СП4-1, С1 — К52-1Б на 63 В, С2 — К10-17. Стабилитроны VD2, VD3 допустимо заменить на Д814Б, В, Трансформатор Т1 наматывается проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм на ферритовом кольце М4000НМ1 типоразмера К16х10х4 мм и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 60 витков. Острые края каркаса кольца закруглить напильником перед намоткой.
Топология печатной платы для схемы и расположение элементов приведена на рис. 1.6 . Радиатор для симистора необходим при работе его на нагрузку мощностью более 1000 Вт.
Корпус может быть любым, из диэлектрических материалов.
Рис. 1.6
Рис. 1.3 Принципиальная схема автомата выключения света
Рис. 1.4 Топология печатной платы и расположение на ней элементов
Рис. 1.5 Электрическая схема автоматического включателя
Рис. 1.6 Топология печатной платы для схемы и расположение элементов
4. Плавное включение усилителя мощности
ПЛАВНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
Это простое приспособление позволяет повысить надежность вашей радиоаппаратуры и уменьшить помехи в сети в момент включения.
Любой блок питания радиоаппаратуры содержит выпрямительные диоды и конденсаторы большой емкости. В начальный момент включения сетевого питания происходит импульсный скачок тока — пока идет заряд емкостей фильтра. Амплитуда импульса тока зависит от величины емкости и напряжения на выходе выпрямителя. Так, при напряжении 45 В и емкости 10000 мкФ ток зарядки такого конденсатора может составить 12 А. При этом трансформатор и выпрямительные диоды кратковременно работают в режиме короткого замыкания.
Для устранения опасности выхода этих элементов из строя путем уменьшения броска тока в момент первоначального включения и служит приведенная на рис. 1.7 схема. Она также позволяет облегчить режимы и других элементов в усилителе на время переходных процессов.
Рис. 1.7
В начальный момент, когда подано питание, конденсаторы С2 и СЗ будут заряжаться через резисторы R2 и R3 — они ограничивают ток до безопасного для деталей выпрямителя значения.
Через 1...2 секунды, после того как зарядится конденсатор С1 и на пряжение на реле К1 возрастет до величины, при которой оно сработает и своими контактами К1.1 и К1.2 зашунтирует ограничительные резисторы R2, R3.
В устройстве можно использовать любое реле с напряжением срабатывания меньшим, чем действует на выходе выпрямителя, а резистор R1 подбирается таким, чтобы на нем падало "лишнее" напряжение. Контакты реле должны быть рассчитаны на действующий в цепях питания усилителя максимальный ток. В схеме применено реле РЭС47 РФ4.500.407-00 (РФ4.500.407-07 или др.) с номинальным рабочим напряжением 27 В (сопротивление обмотки 650 Ом; ток, коммутируемый контактами, может быть до 3 А). Фактически реле срабатывает уже при 16...17 В, а резистор R1 выбран величиной 1 кОм, при этом напряжение на реле будет 19...20 В.
Конденсатор С1 типа К50-29-25В или К50-35-25В. Резисторы R1 типа МЛТ-2, R2 и R3 типа С5-35В-10 (ПЭВ-10) или аналогичные. Величина номиналов резисторов R2, R3 зависит от тока нагрузки, и их сопротивление может быть значительно уменьшено.
Рис. 1.8
Вторая схема, приведенная на рис. 1.8, выполняет ту же самую задачу, но позволяет уменьшить габариты устройства за счет использования времязадающего конденсатора С1 меньшей емкости. Транзистор VT1 включает реле К1 с задержкой, после того как зарядится конденсатор С1 (типа К53-1А). Схема позволяет также вместо коммутации вторичных цепей обеспечивать ступенчатую подачу напряжения на первичную обмотку. В этом случае можно использовать реле только с одной группой контактов.
Величина сопротивления R1 (ПЭВ-25) зависит от мощности нагрузки и выбирается такой, чтобы напряжение во вторичной обмотке трансформатора составляло 70 процентов от номинального значения при включенном резисторе (47...300 Ом).
Настройка схемы состоит в установке времени задержки включения реле подбором номинала резистора R2, а также выборе R1.
Приведенные схемы можно использовать при изготовлении нового усилителя или же при модернизации уже существующих, в том числе и промышленного изготовления.
По сравнению с аналогичными по назначению устройствами для двухступенчатой подачи напряжения питания, приведенными в различных журналах, описанные здесь — самые простые.
Рис. 1.7 Схема плавного включения усилителя мощности
Рис. 1.8 Схема плавного включения усилителя мощности - вариант 2
5. Автоматическое отключение усилителя от сети
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОТКЛЮЧЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ ОТ СЕТИ
Устройство может использоваться как полезная дополнительная приставка к любому стационарному звуковому усилителю и позволяет при отсутствии сигнала на выходной нагрузке (динамиках в колонках) в течение интервала времени более 4 минут, автоматически выключать питание радиоаппаратуры от сети 220 В, если вы забудете это сделать сами раньше.
Рис. 1.9
Электрическая схема устройства приведена на рис. 1.9, и не содержит дефицитных и дорогих деталей. Сигнал с выходов на динамики стереоусилителя (если усилитель одноканальный, подключается только один вход) через разделительные конденсаторы С1 и СЗ поступает на выпрямитель из диодов VD1...VD4 (их можно заменить одной диодной матрицей КД906А). При наличии выпрямленного напряжения на конденсаторе С2 компаратор D1 открывается и своим выходом (вывод 7) через диоды закорачивает конденсатор С4. При отсутствии звукового сигнала компаратор не работает и С4 через резистор R6 заряжается до напряжения 7.5 В за 4...5 минут (время можно увеличить или уменьшить, изменив номиналы С4 и R6).
Как только напряжение на конденсаторе превысит уровень порога переключения микросхемы D2.1, на ее выходе (выводе 11) появится нулевое напряжение, что приведет к переключению триггера на элементах микросхемы D2.3, D2.4 (появится нулевое напряжение на выводе 4). При этом реле К1 отключится и своими контактами К1.1 обесточит цепи питания усилителя, а также другую радиоаппаратуру, подключенную к гнездам Х2, ХЗ.
Для ручного включения (82) и выключения (S1) радиоаппаратуры используются две независимые кнопки без фиксации, любого типа, с контактами, рассчитанными на работу при напряжении 220 В.
В схеме устройства предусмотрена возможность дистанционного отключения радиоаппаратуры. Для этого на вход D2.2 через диод VD7 подается положительный импульс амплитудой 7 В, например, от временного таймера.
Питается схема от имеющегося в усилителе положительного напряжения 16...30 В.
При нажатии кнопки S2 включается трансформатор усилителя, со вторичной обмотки которого сразу после выпрямителя подается напряжение питания на схему. Реле К1 включается и своими контактами К1.1 блокирует кнопку S2,
Реле К1 использовано типа ТКЕ54-ПД1, но подойдут и многие другие, например РЭН34 ХР4.500.000. При его выборе необходимо учитывать допустимое рабочее напряжение на контактах, коммутируемый ток, а также рабочее напряжение обмотки: оно будет определяться величиной напряжения, которое есть в усилителе.
Используемые резисторы и конденсаторы могут быть любого типа, компаратор D1 можно заменить на 554САЗ, но при этом изменится нумерация выводов, она на схеме указана в скобках.
Рис. 1.9 Автоматическое отключение усилителя от сети
6. Автоматический селектор входных сигналов усилителя
АВТОМАТИЧЕСКИЙ СЕЛЕКТОР ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ УСИЛИТЕЛЯ
Данное устройство может работать в составе звукоусилительного комплекса или в виде отдельной приставки к любому усилителю. Оно обеспечивает автоматическое подключение одного из четырех входов к усилителю при появлении на этом входе звукового сигнала с уровнем более 60 мВ. Это сделает пользование радиоаппаратурой более удобным, а также отпадает необходимость в переключателях входного сигнала.
Схема устройства не вносит искажений в звуковой сигнал, так как его коммутация осуществляется поляризованными реле К1...КЗ типа РПС32 или
аналогичными, с двумя группами переключающих контактов. Это позволяет использовать схему в высококачественной радиоаппаратуре. Второй отличительной особенностью приведенной схемы является однополярное питание, а также малое потребление тока. Поляризованные реле не требуют постоянного питания для фиксации положения контактов и в данной схеме потребляют энергию только в момент переключения группы контактов для выбора входа с источником сигнала.
Схема селектора (см. рис. 1.10) собрана на трех микросхемах, одной транзисторной матрице DD3 и трех реле (К1...КЗ). Она состоит из четырех компараторов на элементах операционных усилителей DA1, с выходов которых сигнал с логическим уровнем поступает на один из триггеров на DD1. В момент переключения соответствующего триггера по положительному фронту перепада напряжения дифференцирующая цепь из конденсатора С9...С12 и резистора R14...R17 формирует импульс, который усиливается одним из транзисторов матрицы DD3. Этот импульс и переключает контакты реле в нужное положение.
В начальный момент включения питания схемы, даже если нет входных сигналов, будет всегда подключен вход Х1 — это обеспечивает импульс, сформированный цепью R13 и С13 в момент включения. К этому входу лучше подключать источник сигнала, который наиболее часто используется.
При настройке схемы необходимо резистором R12 выставить порог срабатывания компараторов DA1 так, чтобы при отсутствии входных сигналов на выходах компараторов был логический "О".
При использовании поляризованных реле с низковольтным питанием, например из серии РПС45, РПС43, напряжение питания схемы может быть значительно снижено. В схеме применено реле типа РПС32Б РС4.520.224 .
Вторая схема селектора, приведенная на рис. 1.11, рассчитана на работу с двумя входами и содержит две микросхемы и одно поляризованное реле РПС45 РС4.520.755-08 (или РС4.520.755-18) с номинальным напряжением обмотки 6,3 В (фактически оно срабатывает при меньшем напряжении).
Схема может питаться от любого источника с напряжением 4,5...9 В и позволяет применить ее даже в переносной радиоаппаратуре. Ток потребления схемой не превышает 3 мА, а без применения светодиодов индикации работающего входа HL1 и HL2 он будет еще меньше. Использование индикации подключенного входа не является необходимым, и их можно исключить из схемы, если она питается от автономного источника.
Принцип работы схемы и ее настройка аналогична приведенной на рис. 1.10. Так как микросхема DA1 из-за внутреннего сопротивления не может обеспечить нулевое напряжение на выходе, то в схеме выполнено на диодах VD2 и VD3 смещение напряжения питания логической микросхемы DD1.
Используемые в обоих схемах операционные усилители можно заменить на 140УД6 (соответствующим количеством), но при этом возрастет потребляемый ток и габариты устройства.
Резисторы и конденсаторы подойдут любого типа, малогабаритные.
Рис. 1.10
Рис. 1.11
Рис. 1.10 Приципиальная схема селектора входных сигналов усилителя
Рис. 1.11 Приципиальная схема селектора входных сигналов усилителя расчитанная на работу с двумя входами
7. Электрический термометр
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР
Каждому приходилось во время болезни измерять себе температуру ртутным термометром. Эта процедура занимает обычно 5...7 минут. Если взрослые держат градусник спокойно, то за детьми приходится наблюдать, чтобы они его случайно не сломали.
Предлагаемое устройство позволяет за 3 секунды измерить темпера туру тела или предмета (например микросхемы) в диапазоне от 20 до 45°С с точностью не хуже 0,1°С. Этот диапазон при желании легко можно расширить или сдвинуть при изготовлении.
По сравнению с ртутным термометром электрический более удобен и безопасен, особенно когда приходится измерять температуру у маленьких детей или у животных.
Рис. 1.12. Электрическая схема термометра
В основу по строения схемы (рис. 1.12) взят мостовой преобразователь. Изменение величины сопротивления термодатчика R8 приводит к разбалансу моста и появлению на стрелочном индикаторе РА1 тока, пропорционального температуре.
Особенностью данного прибора является применение в качестве датчика температуры терморезистора типа СТЗ-19 10 кОм, который обладает очень малой массой, за счет чего и удается получить высокую скорость измерения. Этот датчик удобно закрепить на конце пластмассовой трубки от шариковой авторучки и перевитыми между собой проводами длиной 1...0.6 м через разъем Х1 подключить к измерительному блоку. На разъеме от датчика между контактами 1 и 2 установлена перемычка, которая не позволит включить схему устройства, если не подключен термодатчик, что предохраняет измерительный прибор РА1 от повреждения. Питается схема от двух любых аккумуляторов или батареек с общим напряжением 2...3 В и потребляет от источника ток не более 5 мА.
Транзисторы VT1 и VT2 используются как низковольтные стабилитроны и могут быть заменены на КТ3102А, Б, В, Г.
Переменные резисторы, для удобства настройки, лучше применить многооборотные, типа СП5-2 или аналогичные.
Габариты устройства определяются размерами стрелочного индикатора РА1, и при использовании микроамперметра М4205 на ток 0...50 мкА они не превышают 85х65х60 мм (см. рис. 1.13).
Топология печатной платы и размещение на ней элементов показаны на рис. 1.14.
Настройку прибора начинают с измерения сопротивления резисто ра R8 (желательно с высокой точностью) при фиксированной температуре 20°С. Для этих целей удобно воспользоваться промышленной термокамерой с
Рис. 1.13. Внешний вид конструкции
Рис. 1.14
автоматическим поддержанием заданной температуры, куда и помещают термодатчик. Возможны и другие способы получения температуры 20°С но надо учитывать, что от точности измерения сопротивления термодатчика при этой температуре зависит точность измерения прибора.
После измерения R8 из двух резисторов R6+R7 подбираем такой же номинал сопротивления и припаиваем их в схему.
После этого, установив движки резисторов R2 и R3 в среднее положение, включаем схему тумблером S1 и выполняем последовательно следующие операции:
а) установить переключатель 82 в положение КАЛИБРОВКА и резистором R2 вывести стрелку измерительного прибора в нулевое положение на шкале;
б) поместить датчик температуры в место с известной, постоянной температурой (в пределах желаемого измерительного диапазона);
в) установить переключатель S2 в положение ИЗМЕРЕНИЕ и резистором R3 установить стрелку прибора на значение шкалы, которое будет соответствовать измеренной величине;
Операции а), б) и в) необходимо повторить последовательно несколько раз, после чего настройку можно считать законченной.
В заключение хотелось бы отметить, что в настроенном приборе диа пазон измерения можно сдвинуть резистором R2 при переключении в режим КАЛИБРОВКА и устанавливая стрелку (ее положение будет соответствовать значению 20°С) на любое значение шкалы. После этого при переключении прибора в режим ИЗМЕРЕНИЕ шкала будет соответствующим образом сдвинута относительно положения стрелки в режиме КАЛИБРОВКА.
Прибор имеет большой запас по чувствительности, которая увеличивается с уменьшением сопротивления R3 (при первоначальной настройке). Можно сделать так, чтобы прибор улавливал температуру дыхания или же изменение температуры при циркуляции воздуха.
Рис. 1.12. Электрическая схема термометра
Рис. 1.13. Внешний вид конструкции
Рис. 1.14 Топология печатной платы и размещение на ней элементов
8. Простой термостабилизатор
ПРОСТОЙ ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОР
Устройство является универсальным и предназначено для поддержания фиксированного значения заданной положительной температуры в диапазоне +1...80 °С с точностью 0,2 °С.
Термостабилизатор может применяться в искусственном инкубаторе для выведения цыплят из яиц (+37,5 °С), сушильном шкафу (+60 °С), домашней бане или же поддерживать положительную температуру (+2 °С) в утепленном хранилище для овощей на балконе при отрицательной температуре окружающего воздуха. При этом на работе устройства не сказывается возможная нестабильность сетевого напряжения.
П!итается устройство по бестрансформаторной схеме (рис. 1.15) непосредственно от сети 220 В, что позволяет значительно уменьшить его габариты.
Принцип работы схемы на компараторе D1 в особых пояснениях не чуждается — он часто применяется в различных устройствах и описан в литературе. Особенностью данного включения компаратора является управление выходной нагрузкой по эмиттерному выходу микросхемы. Использование транзистора VT1 позволяет улучшить работу компаратора и упростить схему управления тиристором.
В качестве нагревателя подойдет любая нагрузка мощностью не более 1000 Вт (я использовал "воздушный" ТЭН на 500 Вт — он более долговечен, чем нагреватель в виде лампочки). Если же требуется управлять более мощной нагрузкой, то диоды VD3...VD7 необходимо применять на больший допустимый рабочий ток (например Д246А, Б, Д247А, Б) и подключить дополнительный тиристор совместно с еще одним транзистором КТ940А аналогично с приведенной схемой. Сигнал управления второй нагрузкой (она подключается к отдельным гнездам) снимается с вывода D1/1.
Рис. 1.15
Для управления нагрузкой мощностью более 1000 Вт можно применить один тиристор типа Т122-20-4 или Т122-25-4 (последняя цифра в обозначении может быть и больше).
Индикаторами режимов работы схемы являются светодиоды HL1, HL2. Так, при включении устройства тумблером S2, если не подключен нагревательный элемент А1 (или он перегорел), то светиться будут одновременно оба светодиода, а при нормальной работе устройства свечение между индикаторами будет чередоваться: при нагреве А1 светится красный светодиод HL1 (тиристор открыт), при остывании HL2 — зеленый.
В схеме применен в качестве датчика температуры терморезистор типа СТЗ-19 (он обладает малыми габаритами и массой), но подойдут и другие типы (при этом может возрасти инерционность термостабилизации).
Для удобства эксплуатации термостабилизатора используется переключатель (S1), который позволяет иметь 5 фиксированных значений температуры и одно изменяемое. В шестом положении переключателя переменный резистор R2 позволяет устанавливать любую температуру в указанном диапазоне.
Наиболее часто используемые значения температуры удобно настроить резисторами R3, R6...R8, R10 (многооборотные, типа СП5-2) в соответствующих положениях переключателя.
В схеме применены постоянные резисторы типа С2-23; переменный резистор R2 типа СП2-2; конденсатор С1— К50-15, С2 — К10-7В; переключатель S1 типа ПГ2-5-6П2Н; тумблер S2 типа ТЗ; разъем Х1 — РС-4; гнезда Х2, ХЗ типа Г4,0 .
При изготовлении конструкции необходимо преду смотреть теплоотвод для тири стоpa VSI и диодов VD3...VD7.
Внешний вид конструкции корпуса показан на рис. 1.16. Выполняется он из диэлектрических материалов.
Соединительный кабель от гнезда Х1 до термодатчика может иметь длину до двух метров и выполняется перевитыми между собой проводами
Рис. 1.16
— это уменьшит влияние помех и наводок на вход схемы.
Рис. 1.15 Принципиальная схема простого термостабилизатора
Рис. 1.16 Внешний вид конструкции корпуса термостабилизатора
9. Термостабилизатор для температуры 150...1000 °С
ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОР ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 150...1000 °С
Схема предназначена для автоматического поддержания нужной температуры с высокой точностью и может найти применение в различных промышленных и бытовых устройствах для управления нагревом термокамеры или паяльника.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРА
1. Диапазон рабочих температур +150...1000 °С.
2. Точность поддержания установленной температуры в рабочем диапазоне не хуже 2 °С.
3. Рабочее напряжение нагревателя может быть от 100 до 400 В.
4. Мощность нагревателя допустима до 4 кВт (или 8 кВт при использовании радиатора для симистора большей площади).
5. Датчиком температуры является термопара из спая Хромель- Алюмель.
6. Схема управления термостабилизатора имеет электрическую развязку по постоянному току от сети питания нагревателя.
7. Включение цепи нагревателя производится электронным бесконтактным способом.
8. Питание схемы управления осуществляется от двухполярного источника питания с напряжением 12В (ток потребления схемы управления не превышает 15 мА). К одному блоку питания допустимо подключать до 10 схем термостабилизаторов.
Термостабилизатор содержит минимальное число элементов, что обеспечивает высокую надежность, а малые габариты позволяют легко разместить его внутри любого корпуса.
Устройство состоит из двух узлов: схемы управления и блока пита ния.
Рис. 1.17. Электрическая схема термостабилизатора
Схема управления (рис. 1.17) выполнена на одной сдвоенной микросхеме DA1 (140УД20А) и симметричном тиристоре (симисторе) VS1. На элементе DA1.1 собран дифференциальный усилитель сигнала с термопары, а на DA1.2 — интегратор, который управляет работой генератора импульсов на однопереходном транзисторе VT1. Импульсы через разделительный трансформатор Т1 поступают на управление коммутатором VS1.
Рис. 1.18. Форма импульсов на управляющем выводе симистора
Использование в схеме интегратора вместо обычно применяемого компаратора позволяет обеспечить мягкую характеристику изменения мощности в нагревателе при выходе на режим термостабилизации. Это осуществляется за счет изменения времени заряда конденсатора С8, от которого зависит частота генератора, а значит, и начальный угол открывания симистора. Пока напряжение с выхода DA1/12 не превысит пороговое значение, установленное резисторами R1 и R2 (на DA1/6), на выходе микросхемы DA1/10 будет напряжение +12 В, что обеспечит работу генератора (VT1) на максимальной частоте. При этом форма импульсов на управляющем электроде симистора должна иметь вид, приведенный на рис. 1.18.
Если форма импульсов другая, следует поменять местами выводы на одной из обмоток трансформатора Т1.
Электрическая схема блока питания термостабилизатора может быть собрана по одному из приведенных на рис. 1.19 вариантов. Обе схемы имеют внутреннюю электронную защиту от перегрузки и в особых пояснениях не нуждаются, так как являются типовыми. При использовании одного источника питания для нескольких термостабилизаторов включение каждой схемы управления производится отдельным тумблером.
Рис. 1.19. Двухполярныи источник питания для термостабилизатора
Топологии печатных плат и расположение деталей приведены на рис. 1.20...1.22. Симистор устанавливается на радиатор, состоящий из двух медных пластин, одна из которых показана на рис. 1.23. Для удобства подключения внешних цепей схемы на плате (рис. 1.21) закреплены винты МЗ и М4 с гайками.
Рис. 1. 20. Топология печатной платы схемы управления
Рис, 1.21. Расположение детален
Рис. 1.22. Печатная плата источника питания, вариант 2
В схеме применена прецизионная микросхема, и замена ее на другой тип недопустима, так как это ухудшит точность поддержания температуры из-за увеличения дрейфа нуля, который будет соизмерим с величиной сигнала от термопары.
Импульсный трансформатор Т1 наматывается проводом ПЭЛШО-0,18 на ферритовом кольце М4000НМ1 типоразмера К16х10х4 мм или кольце М2000НМ1 — К20х12х6 мм и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2—60 витков. Перед намоткой острые грани сердечника нужно закруглить надфилем. Иначе они прорежут провод. После намотки и пропитки катушки лаком нужно обязательно убедиться в отсутствии утечки между обмотками, а также обмотками и ферритом каркаса.
Остальные детали схемы не критичны и могут быть любого типа, например: переменные резисторы R1 и R2 типа СПЗ-4а; R3 и R4 — подстроенные многооборотные СП5-2; постоянные резисторы типа С2-23; электролитические конденсаторы С6 и С7 — К53-1А на 16 В; остальные — типа К10-17. Диоды VD2, VD3 предназначены для защиты схемы от неправильного подключения источника питания и могут быть любыми, на ток до 100 мА.
Подключая схему управления, необходимо соблюдать положение фазы, указанное на рисунке (при правильном соединении на радиаторе симистора должна находиться фаза сетевого напряжения). Это особенно важно, если от одного источника питания включено несколько термостабилизаторов.
При подаче питания на схему управления должен включиться нагрев нагрузки RH. Индикатором включения нагревателя является свечение светодиода HL1 или включенной параллельно с нагрузкой лампы.
Рис. 1.23. Конструкция радиатора для симистора
Для настройки температуры стабилизации устанавливаем в среднее положение регуляторы R1, R2 и,
дождавшись повышения температуры в зоне нагрева до нужной величины, регулятором ГРУБО добиваемся отключения нагревателя.
Когда процесс термостабилизации установится, скорректировать температуру можно регулятором ТОЧНО.
Схема позволяет иметь несколько фиксированных значений температуры при переключении S1. В этом случае нужная температура настраивается соответствующими подстроечными резисторами R3 и R4 на плате упоавления.
Рис, 1.21. Расположение детален
Рис. 1.17. Электрическая схема термостабилизатора
Рис. 1.18. Форма импульсов на управляющем выводе симистора
Рис. 1.19. Двухполярныи источник питания для термостабилизатора
Рис. 1.20. Топология печатной платы схемы управления
Рис. 1.22. Печатная плата источника питания, вариан
Рис. 1.23. Конструкция радиатора для симистора
10. Электрическая зажигалка для газа
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗАЖИГАЛКА ДЛЯ ГАЗА
В журналах приведено много схем для самостоятельного изготовления аналогичных по назначению устройств, однако, как показывает опыт, наибольшую сложность при изготовлении таких устройств представляет намотка высоковольтной катушки так, чтобы не было пробоя у нее внутри, а также изготовление красивого корпуса. Приводимая ниже схема и конструкция легко решает эти проблемы.
Рис. 1.24
Электрическая схема (рис. 1.24) содержит только унифицированные и легко доступные детали, в том числе и высоковольтную катушку Т2, в качестве которой применен трансформатор строчной развертки от черно-белых миниатюрных телевизоров ТВС-70П1.
Предлагаемая схема позволяет снять зависимость напряжения подаваемого в высоковольтную катушку от порога срабатывания динистора (их наиболее часто применяют), как это реализуется в опубликованных ранее схемах.
Схема состоит из автогенератора на транзисторах VT1 и VT2, повышающего напряжение до 120...160 В с помощью трансформатора Т1 и схемы запуска тиристора VS1 на элементах VT3, С4, R2, R3, R4. Накопленная на конденсаторе СЗ энергия разряжается через обмотку Т2 и открытый тиристор.
Рис. 1.25
Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом ферритовом магнитопроводе М2000НМ1 типоразмера К16х10х4,5 мм. Обмотка 1 содержит 10 витков, 2 — 650 витков проводом ПЭЛШО-0,12. Используются конденсаторы: С1, СЗ типа К50-35; С2, С4 типа К10-7 или аналогичные малогабаритные. Диод VD1 можно заменить на КД102А, Б. S1 — микровключатель типа ПД-9-2. Тиристор можно использовать любой, с рабочим напряжением не менее 200 В. Трансформаторы Т1 и Т2 крепятся к плате клеем.
Печатная плата устройства имеет размеры 88х55 мм (см. рис. 1.25).
Вся схема вместе с двумя элементами питания А316 или аккумуляторами НКГЦ-0,45 легко размещается в пачке от сигарет с жестким каркасом (типа СТОЛИЧНЫЕ) (рис. 1.26).
Рис. 1.26. Вариант конструкции корпуса
Разрядная камера располагается между двумя жесткими проводами диаметром 1...2 мм на расстоянии 80...100 мм от корпуса. Искра между электродами проходит на расстоянии 3...4 мм.
Схема потребляет ток не более 180 мА, и ресурса элементов питания хватит более чем на два часа непрерывной работы, однако не прерывная работа устройства более одной минуты не желательна из-за возможного перегрева транзистора VT2 (он не имеет радиатора).
При настройке устройства может потребоваться подбор элементов R1 и С2, а также изменение полярности включения обмотки 2 у трансформатора Т1. Желательно также проводить настройку с неустановленным R2: проверить напряжение на конденсаторе СЗ вольтметром, а после этого установить резистор R2 и, контролируя напряжение осциллографом на аноде тиристора VS1, убедиться в наличии процесса разряда конденсатора СЗ.
Разряд СЗ через обмотку трансформатора Т2 происходит при открывании тиристора. Короткий импульс для открывания тиристора формируется транзистором VT3 при возрастании напряжения на конденсаторе СЗ более 120В.
Устройство может найти и другие применения, например, в качестве ионизатора воздуха или электрошокового (пугающего) устройства, так как между электродами разрядника возникает напряжение более 10 кВ, что вполне достаточно для образования электрической дуги. При малом токе в цепи это напряжение не опасно для жизни.
Рис. 1.24 Принципиальная схема электрической зажигалки для газа
Рис. 1.25 Печатная плата
Рис. 1.26. Вариант конструкции корпуса
11. Автоматическое управление водяным насосом
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВОДЯНЫМ НАСОСОМ
Это устройство может пригодиться на даче или в фермерском хозяйстве, а также во многих других случаях, когда требуется контроль и поддержание определенного уровня воды в резервуаре.
Так, при пользовании погружным насосом для откачки воды из колодца на полив необходимо следить, чтобы уровень воды не снизился ниже положения насоса. В противном случае насос, работая на холостом ходу (без воды), будет перегреваться и выйдет из строя.
Избавиться от всех этих проблем вам поможет схема универсального автоматического устройства (рис. 1.27). Она отличается простотой и надежностью, а также предусматривает возможность многофункционального использования (водоподъем или дренаж).
Рис. 1.27
Цепи схемы никак не связаны с корпусом резервуара, что исключает электрохимическую коррозию поверхности резервуара, как это имеет место во многих опубликованных ранее схемах аналогичного назначения.
Принцип работы схемы основан на использовании электропроводности воды, которая, попадая между пластинами датчиков, замыкает цепь базового тока транзистора VT1. При этом срабатывает реле К1 и своими контактами К1.1 включает или выключает (зависит от положения 82) насос.
Рис. 1.28
В качестве датчиков F1, F2 можно использовать пластины из любых металлов, не подверженных коррозии в воде. Так, например, можно воспользоваться отслужившей нержавеющей бритвой (см. рис. 1.28). Расстояние между пластинами датчика может быть 5...20 мм, и крепятся они на диэлектрических основаниях из материалов, не задерживающих воду, например из оргстекла или фторопласта.
При включении питания схемы тумблером S1, если в резервуаре нет воды, реле К1 работать не будет и его контакты К1.1 (нормально замкнутые) обеспечат питание насоса до момента времени, пока вода достигнет уровня расположения датчика F1. При этом сработает реле и своими контактами отключит насос. Повторно включится насос, только когда уровень воды снизится ниже уровня датчика F2 (контакты К1.2 подключают его к работе при сработавшем реле). Так работает схема в режиме ВОДОПОДЪЕМ (начальное положение тумблера S2 указано на схеме как раз для этого режима). При переключении тумблера S2 в положение ДРЕНАЖ схема может использоваться для автоматического управления погружным насосом при откачке воды — отключать его при снижении уровня воды ниже положения датчика F2. При этом водозаборник насоса должен располагаться немного ниже самого датчика.
Схема не критична к используемым деталям. Трансформатор подойдет любой, с напряжением во вторичной обмотке 24...30 В — оно связано с рабочим напряжением обмотки реле. В схеме применяются: реле К1 типа ТКЕ52ПОД; конденсатор С1 типа К50-29 или аналогичный. Светодиод может быть любым, транзистор КТ827 можно применять с буквой А, Б, В или КТ829А, Б, В.
Датчики F1, F2 удобнее подключать к схеме через разъем (он на рисунке не показан).
При правильной сборке схема настройки не требует.
Рис. 1.27 Принципиальная схема автоматического управления водяным насосом
Рис. 1.28 Вариант использования отслужившей нержавеющей бритвы
12. Таймер для заваривания чая
ТАЙМЕР ДЛЯ ЗАВАРИВАНИЯ ЧАЯ
Любители чая знают, что в зависимости от технологии изготовления его можно разделить на два основных типа — зеленый и черный. Для хорошего заваривания черного чая необходимо выдерживать его в кипятке до 4 минут, а зеленого до 7 минут. Если время заваривания превышает указанный интервал, то в заварку из чайного листа начинают переходить вредные для здоровья вещества (что подтверждено медицинскими исследованиями). Использование таймера позволит исключить такую возможность.
Рис. 1.29. Внешний вид таймера
Таймер не потребуется включать и выключать, так как он выполняется в виде подставки под заварочный чайник и включается при установке на него чайника или чашки с чаем. Таймер (рис. 1.29) имеет два временных интервала — 4 и 7 минут, один из которых устанавливается переключателем S2.
прерывистый звуковой сигнал оповещения соз дает пьезоизлучатель любого типа (ЗП-1, ЗП-22, ЗП-18, ЗП-3).
Время срабатывания таймера зависит от величины емкости С4 и резисторов R4...R7 (настройку удобнее проводить подбором резисторов). Частота звука зависит от номиналов R9 и С6, а прерывистость звучания задается R8 и С5.
Питается устройство по бестрансформаторной схеме непосредственно от сети через выключатель S1 (см. рис. 1.30) который срабатывает под действием веса. При включении питания таймера светится светодиод HL1
Рис. 1.30
(можно применить светодиод любого типа). В схеме используются: конденсаторы С1 — типа К73-17В на 400 В; С2...С4 — типа К50-29 или К53-4А на 16 В; С5, С6 — любые малогабаритные. Резисторы годятся любого типа с рассеиваемой мощностью, не меньше указанной на схеме. Транзистор VT1 можно заменить на КТ3102А, Б, КТ312, стабилитрон подойдет любой с напряжением стабилизации 9...13 В. В качестве включателя S1 можно использовать кнопку от разобранного тумблера типа МТ-1, а в качестве S2 — малогабаритный включатель. Сетевой предохранитель F1 можно изготовить из медного проводника диаметром 0,04...0,08 мм.
Топология печатной платы и расположение на ней элементов приведены на рис. 1.31 и 1.32. Элементы крепятся пайкой к контактным площадкам. При использовании микросхемы D1 типа 561 ЛА7 контактные площадки в месте ее установки при выполнении печатной платы надо раздвинуть в соответствии с расположением выводов.
Настройку таймера начинают с интервала 7 минут при разомкнутом включателе S2, подбирая номинал резистора R7, Интервал 4 минуты настраивается при замкнутом включателе S2 резистором R5.
Общие габариты устройства, не превышают размеры 125х100х20 мм. Верхняя крышка выполняется из термостойкого диэлектрического материала (толстого стеклотекстолита или пластмассы). Крепится она на петле так, чтобы при установке на нее небольшого веса срабатывала кнопка S1.
Этот таймер на кухне может быть полезен и для других целей, когда для приготовления еды требуется точное соблюдение таких же временных интервалов.
Рис. 1.31. Топология печатной платы
Рис. 1.32. Расположение элементов со стороны печатных проводников
Рис. 1.29. Внешний вид таймера
Рис. 1.30 Принципиальная схема таймера для заваривания чая
Рис. 1.31. Топология печатной платы
Рис. 1.32. Расположение элементов со стороны печатных проводников
13. Таймер с 24 часовым циклом
ТАЙМЕР С 24 ЧАСОВЫМ ЦИКЛОМ
Иногда требуется включать и отключать устройства в одно и то же время в течение суток. Например, отключать звонок в квартире на ночь, включать электрочайник утром и т. д. Я использую данный таймер для автоматического отключения телефона вечером с 22-х до 6 часов утра (на 8 часов), что позволяет избавиться от случайных звонков.
Таймер обеспечивает с дискретностью одна минута установку нужного интервала времени и повторение процесса через 24 часа. Таймер состоит из генератора минутных импульсов на микросхеме D1, делителей частоты с изменяемым коэффициентом деления D2 и D3 (16 входов для установки коэффициента деления) и формирователей коротких импульсов на элементах микросхемы D4 (рис. 1.33).
Рис. 1.33
Переключение цепей выполняет поляризованное реле К1. Оно не требует постоянного питания обмотки для фиксации положения контактов, и для их переключения достаточно кратковременного импульса на соответствующую обмотку.
Схема выполнена на легкодоступных КМОП микросхемах и отличается малым потребляемым током, что позволяет, при желании, питать ее от батарейки 9 В. В этом случае реле К1 лучше использовать с низковольтным рабочим напряжением, например РПС45 РС4.520.755-08 (или РС4.520.755- 18), и тогда стабилитрон VD2, светодиод HL1 и резистор R10 не надо устанавливать, а конденсатор С6 необходимо увеличить до 1000 мкФ.
Работает схема следующим образом. Включение таймера проводится тумблером SA1 в момент времени, с которого требуется обеспечивать временной интервал. В начальный момент, когда подано питание на схему, пока идет заряд конденсатора С1, на выходе D4/11 формируется импульс, начального обнуления счетчика D1, и этот же импульс через элементы D4.2 , D4.4 переключит реле К1 (контакты реле 22 и 23 замкнутся), а на входах начальной установки счетчика D2 появится логическая "1" в соответствии с необходимым коэффициентом деления (N).
На схеме показано положение перемычек на выводах D2 для интервала 8 часов: N=8*60=480.
Коэффициент деления для другого временного интервала легко можно определить, воспользовавшись соотношением:
N=M(1000P1+100P2+10P3+P4)+P5 , где
Р1...Р4 — изменяемые коэффициенты, называемые множителями тысяч, сотен, десятков и единиц;
Р5 — остаток;
М — коэффициент называемый модулем (на схеме показано положение перемычек для значения М=2).
Значения чисел десятичной системы Р1...Р4 устанавливаются на соответствующих входах счетчиков в двоичном коде. Так, для коэффициента деления 1440: N=2(700+20)=1440 (P1=0, P2=7, Р3=2, Р4=0, Р5=0); для коэффициента деления 480: N=2(200+40)=480 (Р1=0, Р2=2, Р3=4, Р4=0, Р5=0).
Как только на выводе D2/23 появится логическая "1", элемент D4.1 формирует импульс для переключения реле К1 (контакты 22 и 23 разомкнутся, а 12 и 13 замкнутся). В таком состоянии схема будет находиться до момента, пока на выводе D3/23 не появится импульс (лог. "1").
Счетчик D3 имеет коэффициент деления 1440, что соответствует 24 часам. Через этот интервал, с момента включения таймера, на выходе счетчика будет периодически появляться сигнал для автоматического переключения цепей. В зависимости от того, какая группа контактов реле К1 используется, устройства могут включаться или отключаться в течение суток на необходимый интервал времени.
При управлении мощной нагрузкой, например электронагревателями, необходимо использовать дополнительное промежуточное реле с соответствующим допустимым током через контакты (для нагрузки мощностью 2000 Вт ток 10 А). Промежуточное реле можно включать контактами реле К1, которые рассчитаны на максимальный ток не более 0,5 А.
Если в процессе работы таймера требуется на некоторое время включать или выключать подключенное устройство, не меняя цикла работы таймера, то можно воспользоваться соответствующими кнопками: SB1 — включение и SB2 — выключение.
При отключении таймера от сети вторая группа контактов тумблера SA1.1 подключает обмотку ВГ реле К1 к конденсатору. Разряд С7 через обмотку реле позволит ему сработать, и оно вернет свои контакты в исходное положение, независимо от того, на каком этапе цикла мы отключили таймер. Эта же группа контактов через диод VD1 ускорит разряд конденсатора С1, что обеспечит готовность схемы к работе в любой момент времени при последующем включении.
В схеме применены резисторы типа С2-23, конденсаторы С1...С5 типа К10-17, С6 и С7 типа К50-24 на 63 В.
Кварц ZQ1 подойдет любого типа с рабочей частотой 32768 Гц (они широко используется в часах). В схеме применены поляризованные реле типа РПС43 РС4.520.735-01, но подойдут и многие другие типы, например РПС32 РС4.520.224. Сетевой трансформатор Т1 должен обеспечивать напряжение во вторичной обмотке, достаточное для срабатывания примененного реле.
При правильном монтаже схема настройки не требует. Проверку работы таймера удобно производить при подаче на вход счетчиков (D2, D3) секундных импульсов с вывода 4 микросхемы D1. При этом следует учитывать, что первоначальное запоминание коэффициента деления производится через три такта входных импульсов.
Схема таймера не меняет режимов при кратковременном исчезновении сетевого напряжения. Но для того, чтобы работа таймера не нарушашлась при длительном отсутствии сетевого напряжения, необходимо применять элемент резервного питания (9В), от которого достаточно питать только микросхемы.
Рис. 1.33 Таймер с 24 часовым циклом
14. Автоматическая защита сетевой радиоаппаратуры
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА СЕТЕВОЙ РАДИОАППАРАТУРЫ
Устройство предназначено для предотвращения перегрузки и неисправностей в радиоаппаратуре из-за отклонения сетевого напряжения питания за допуск. Оно будет особенно полезно на даче или в деревне, где нередки значительные колебания напряжения в сети. Часто используемые при нестабильной сети ферромагнитные стабилизаторы имеют узкий диапазон стабилизации и при значительных колебаниях напряжения (в сторону увеличения) просто выходят из строя. Для некоторой радиоаппаратуры опасно не только повышенное, но и пониженное напряжение сети.
Контролировать сеть измерительным прибором, каждый раз перед включением радиоприборов, неудобно да и неэффективно, так как отклонение может произойти в процессе работы. Но эту задачу может взять на себя автоматическое контрольное устройство, через которое и питается аппаратура.
Рис. 1.34
Рис. 1.35
При первоначальном включении устройства (кнопкой SB1) оно в течение одной секунды проверяет уровень сетевого напряжения на нахождение его в допуске 170...260 В, а также на наличие помех. В случае отклонения напряжения за допуск схема не позволит включить радиоаппаратуру.
Рис. 1.36. Топология печатной платы для узла А1
В процессе работы защитного устройства схема производит непрерывный контроль за состоянием сети, и при выходе напряжения за допуск 190...245 В начинает работать звуковая сигнализация, предупреждая, что лучше выключить радиоаппаратуру. При этом по свечению светодиодного индикатора можно определить вид отклонения напряжения в "+" (увеличение) или "—" (снижение). В случае опасного несоответствия сетевого напряжения (при выходе за допуск 170...260 В) радиоаппаратура, подключенная к гнездам Х1, Х2, отключится автоматически.
Электрическая схема устройства приведена на рис. 1.34 и 1.35 и состоит из четырехуровневого компаратора на элементах микросхемы D2, звукового генератора на элементах D3.1...D3.3, узла коммутации на транзисторе и реле К1, а также блока питания со стабилизатором напряжения на микросхеме D1.
Порог срабатывания компараторов устанавливается при настройке резисторами, отмеченными на схеме звездочкой "*". Их значения указаны на схеме ориентировочно. Настройка устройства производится при помощи ЛАТРА, изменяя напряжение питания на штекере ХР1. При этом резистором R15 устанавливаем превышение порога 245 В (на выходе D2/8 появится лог. "1"), а резистором R14 — снижение напряжения ниже 170 В (на выходе D2/8 лог. "0"). Для настройки удобно использовать многогабаритные регулировочные резисторы.
Настройку схемы лучше начинать с проверки работоспособности узла, показанного на рис. 1.34. При нажатии на кнопку ВКЛ (SB1), реле К1 срабатывает с задержкой примерно в 1 секунду и контактами К1.2 блокирует кнопку. Время задержки включения реле зависит от номинала емкости С2 и резистора R7. Выключение реле К1 может производиться кнопкой ОТКЛ (SB2) или же от схемы автоматики, когда на выходе микросхемы D3/11 появится импульс или лог. "1" (при выходе напряжения за допуск).
На рис. 1.36 приведена топология печатной платы для участка схемы (А1), выделенного пунктиром. Остальная часть схемы выполнена на универсальной макетной плате объемным монтажом.
В схеме применены конденсаторы С1...С4 типа К52-16 на 63 В; С5, С6 — К10-17. Резисторы и диоды подойдут любые аналогичные. Трансформатор Т1 лучше использовать из унифицированной серии ТПП. Он должен обеспечивать во вторичной обмотке напряжение 22...24 В и ток не менее 60 мА.
Реле К1 применено типа РЭС48 (паспорт 4.590.201), но подойдут и многие другие, с рабочим напряжением 24 В.
Устройство автоматической защиты можно упростить, если отказаться от звуковой и световой сигнализации отклонения напряжения. В этом случае схему контроля уровня напряжения на рис. 1.35 заменяем приведенной на рис. 1.37 . Она состоит из транзисторов, работающих в режиме микротоков. В нормальном состоянии подстроечными резисторами R12 и R15 устанавливаем на коллекторах VT2 и VT3 лог. "О" и лог. "1" соответственно. В этом случае транзисторы VT4 и VT5 заперты и на резисторе R19 нет напряжения (при его появлении сработает VS1).
Меняя сетевое напряжение с помощью ЛАТРА, резистором R12 устанавливаем порог срабатывания схемы при напряжении ниже 170 В, а резистором R15 — при превышении 260 В.
Рис. 1.37
При использовании второго варианта схемы упрощается и блок А1. В этом случае стабилизатор D1 не нужен, а если у трансформатора Т1 имеется свободная обмотка на напряжение 6...12 В, то она может быть подключена к цепям 5 и 6 (вместо резисторов R1...R3 установить перемычки, R4 и R10 исключить из схемы).
Рис. 1.34 Принципиальная схема блока питания устройства
Рис. 1.35 Принципиальная схема устройства автоматической защиты сетевой радиоаппаратуры
Рис. 1.36. Топология печатной платы для узла А1
Рис. 1.37 Упорщенная схема устройства
15. Кодовый включатель
КОДОВЫЙ ВКЛЮЧАТЕЛЬ
Предлагаемая схема может найти применение в любых устройствах, где требуется ограничить доступ посторонних к переключению режимов. В зависимости от того, что подключено на выходе схемы (электромагнит, реле, сигнализация и т. д.), назначение может быть самым разным, например отключение режима охранной сигнализации.
В простейшем варианте, совместно с электромагнитом, схема может быть использована в качестве кодового замка. Его открывание производится набором известного ограниченному кругу лиц кода. Код состоит из 4 цифр (из 10 возможных). Кнопки с определенными цифрами необходимо нажать в заданной последовательности. Это позволяет иметь не менее 5040 возможных вариантов кода.
Код легко и оперативно можно сменить, переставив зажимы проводов с кнопками в любой последовательности. При установке кода нежелательно занимать цифры последовательного ряда (1, 2, 3, 4). Лучше, если код будет состоять из цифр вразброс, например: 9, 3, 5, 0.
Схема кодового устройства (рис. 1.38) собрана на двух микросхемах КМОП серии 561 ТМ2 (возможна замена на 564ТМ2). что обеспечивает высокую надежность и экономичность работы. Потребление схемой микротока позволяет легко выполнить, при необходимости, автономное питание. По дойдет любой, даже не стабилизированный источник постоянного напряжения 4...15 В.
Работает электрическая схема следующим образом. В начальный момент, при подаче питания, цепь из конденсатора С1 и резистора R1 формирует импульс обнуления триггеров (на выходах 1 и 13 микросхем будет лог. "0").
Рис. 1.38
При нажатии на кнопку первой цифры кода (на схеме — SB4), в момент ее отпускания триггер D1.1 переключится, т. е. на выходе D1/1 появится лог. "1", так как на входе D1/5 есть лог. "1".
При нажатии очередной кнопки, если на входе D соответствующего триггера имеется лог. "1", т. е. предыдущий сработал, то лог. "1" появится и на его выходе.
Последним срабатывает триггер D2.2 , а чтобы схема не осталась в таком состоянии надолго, используется транзистор VT1. Он обеспечивает задержку обнуления триггеров. Задержка выполнена за счет цепи заряда конденсатора С2 через резистор R6. По этой причине на выходе D2/13 сигнал лог. "1" будет присутствовать не более 1 секунды. Этого времени вполне достаточно для срабатывания реле К1 или электромагнита. Время, при желании, легко можно сделать значительно больше, применив конденсатор С2 большей емкости.
В процессе набора кода нажатие любой ошибочной цифры обнуляет все триггеры. Если сигнал управления транзистором VT1 снимать с выхода не последнего триггера (например с вывода D2/12), то будет ограничено необходимое время на нажатие цифр кода. В этом случае даже при правильном, но медленном наборе кода выходной сигнал не появится.
Размещается схема вблизи кнопочной панели.
Все используемые детали, за исключением транзистора VT2, могут быть любого типа. Транзистор VT2 применен с большим коэффициентом усиления, и в случае использования в качестве нагрузки вместо реле электромагнита его нужно заменить на более мощный из серии КТ827.
Для открывания защелки дверного замка лучше использовать не электромагнит, а электромоторчик с редуктором. Такие узлы используются в составе автомобильных сигнализаций для автоматической блокировки дверей (их можно приобрести в магазине). Они потребляют небольшой ток (60...150 мА от 12 В) по сравнению с электромагнитом и позволяют иметь источник питания небольшой мощности, что особенно важно для автономного питания.
Рис. 1.38 Кодовый включатель
2. Источники питания и зарядные устройства
Источники питания и зарядные устройства
В литературе приведено немало описаний различных схем блоков питания и зарядных устройств. Современная элементная база позволяет значительно уменьшить габариты блоков питания за счет использования интегральных стабилизаторов напряжения с минимальным количеством дополнительных элементов, а зарядные устройства выполнять с автоматическим отключением режима заряда.
Для уменьшения габаритов и веса радиоаппаратуры все более широкое применение находят импульсные источники питания. Познакомившись с приведенными в этом разделе работами, вы легко сможете собрать себе необходимый блок питания для приемника, бытового компьютера, а также многих других устройств.
1. Питание низковольнотной радиоаппаратуры от сети
ПИТАНИЕ НИЗКОВОЛЬТНОЙ РАДИОАППАРАТУРЫ ОТ СЕТИ
Современные переносные и карманные радиоприемники, особенно импортные, как правило, рассчитаны на питание от двух батареек или аккумуляторов и могут в стационарных условиях питаться от любого источника со стабилизированным напряжением 3 В и допустимым током до 0,2 А. Такое же напряжение необходимо и для питания электронных игр типа "НУ ПОГОДИ" и многих других устройств. Нужный блок питания, если постараться, можно найти в коммерческих магазинах, но импортного производства и по неоправданно высокой цене, а отечественная промышленность таких источников питания выпускает мало. Кроме того, они, как правило, не имеют стабилизации выходного напряжения, что приводит к прослушиванию сетевого фона.
Рис. 5.1
Собрать необходимый источник по силам каждому, кто умеет пользоваться паяльником, и это не потребует много времени и больших затрат.
Здесь приведены два варианта построения такой схемы, собранных на разных элементах, а конкретную вы сможете выбрать сами, познакомившись с их особенностями и исходя из своих возможностей.
На рис. 5.1 приведена простая схема блока питания на 3 В (ток в нагрузкеке 200 мА) с автоматической электронной защитой от перегрузки (Iз = 250 мА). Уровень пульсации выходного напряжения не превышает 8 мВ.
Для нормальной работы стабилизатора напряжение после выпрямителя (на диодах VD1...VD4) может быть от 4,5 до 10 В, но лучше, если оно будет 5...6 В, — меньшая мощность источника теряется на тепловыделение транзистором VT1 при работе стабилизатора.
В схеме в качестве источника опорного напряжения используется светодиод HL1 и диоды VD5, VD6. Светодиод является одновременно и индикатором работы блока питания.
Транзистор VT1 крепится на теплорассеивающей пластине. Трансформатор Т1 можно приобрести из унифицированной серии ТН любой, но лучше использовать самые малогабаритные ТИ1-127/220-50 или ТН2-127/220-50. Подойдут также и многие другие типы трансформаторов со вторичной обмоткой на 5...6 В. Конденсаторы С1...СЗ типа К50-35.
Рис. 5.2
Вторая схема (рис. 5.2) использует интегральный стабилизатор DA1, но в отличие от транзисторного стабилизатора, приведенного на рис. 5.1, для нормальной работы микросхемы необходимо, чтобы входное напряжение превышало выходное не менее чем на 3,5 В. Это снижает КПД стабилизатора за счет тепловыделения на микросхеме — при низком выходном напряжении мощность, теряемая в блоке питания, будет превышать отдаваемую в нагрузку.
Необходимое выходное напряжение устанавливается подстроечным резистором R2. Микросхема устанавливается на радиатор.
Интегральный стабилизатор обеспечивает меньший уровень пульсации выходного напряжения (1 мВ), а также позволяет использовать емкости меньшего номинала.
Рис. 5.1 Принципиальная схема простого источника питания
Рис. 5.2 Принципиальная схема источника питания со стабилизацией выходного напряжения
2. Универсальный блок питания
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ
Применение микросхемы КР142ЕН12А (Б) и унифицированного трансформатора ТПП255-220-50 позволяет изготовить простой и надежный источник питания для различных бытовых устройств.
Выходное напряжение источника может плавно регулироваться в пределах от 2 до 12 В. Максимальный ток нагрузки 1 А, при этом амплитуда пульсации выходного напряжения не превышает 2 мВ.
Рис. 5.3
Электрическая схема устройства приведена на рис. 5.3. Блок собран по типовой схеме последовательного компенсационного стабилизатора напряжения. Для того чтобы на микросхеме DA1 не рассеивать слишком большую тепловую мощность, в стабилизаторе предусмотрено дискретное переключение выводов вторичных обмоток трансформатора секцией S2.1 переключателя. Одновременно переключаются и резисторы R4...R7 делителей обратной связи для установки границы регулировки выходного напряжения. На каждом из поддиапазонов нужное напряжение можно устанавливать переменным резистором R3. Переключатель обеспечивает установку диапазонов выходных напряжений 2...5, 5...7, 7...9, 9...12 В.
Микросхема DA1 имеет внутреннюю защиту от перегрузки. Индикатором работы источника является светодиод HL1.
Для удобства использования схему можно дополнить стрелочным измерительным вольтметром.
В конструкции источника питания трансформатор можно заменить более мощным из этой же серии: ТПП276-220-50, ТПП292-220-50, ТПП319-220-50 (нумерация выводов подключения обмоток при этом не меняется, но увеличатся габариты и вес устройства).
Микросхема рассчитана на работу с теплоотводом, и ее необходимо закрепить на радиаторе, при этом радиатор не должен иметь электрического контакта с корпусом конструкции.
Для удобства настройки границы диапазонов выходных напряжений подстроечные резисторы R4...R7 лучше применить многооборотные, например типа СП5-2 или СП5-14. Конденсаторы применены: С1, СЗ типа К50-29; С2.С4—К73-17.
Рис. 5.3 Универсальный блок питания
3. Два напряжения от одного источника
ДВА НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ОДНОГО ИСТОЧНИКА
Иногда для питания различных радиотехнических устройств требуется иметь два двухполярных напряжения +12 и -12 В (или +9 и -9 В) от одного источника — аккумулятора или сетевого трансформатора с одной обмоткой. Такие напряжения необходимы для работы операционных усилителей и некоторых других схем. При этом основное потребление тока схемой осуществляется, как правило, по цепи с положительным напряжением, а цепь "—" является вспомогательной.
Промышленность выпускает специализированную микросхему преобразователя для получения отрицательного напряжения: КР1168ЕП1 (входное напряжение 3...10 В, а выходное отрицательное такой же величины, что и на входе). Но она не является пока широкодоступной, а также перекрывает узкий диапазон напряжений.
Рис. 5.4
На рис. 5.4 приведена схема простого преобразователя, который позволяет получать от источника +12 В (+9 В) дополнительное стабилизированное напряжение -12 В (-9 В при использовании стабилизатора КР142ЕН8А). Ток нагрузки по цепи -12В может быть до 15 мА.
Преобразователь работает на частоте 50 кГц и сохраняет свою работоспособность при снижении напряжения питания до 7 В.
Рис. 5.5
Рис. 5.6. Конструкция трансформатора Т1
Схема состоит из автогенератора на транзисторе VT1, повышающего напряжение трансформатора Т1 и интегрального стабилизатора DA1.
При сборке требуется соблюдать полярность подключения фаз обмоток трансформатора Т1, указанную на схеме. Со вторичной обмотки трансформатора напряжение после выпрямления должно быть 15...19 В, что необходимо для нормальной работы стабилизатора DA1.
Для настройки преобразователя сначала вместо DA1 подключаем резистор 150 Ом. При нормальной работе схемы форма напряжения на обмотке 3 в трансформаторе Т1 показана на рис. 5.5, При настройке может потребоваться подбор конденсатора СЗ и резистора R2.
Трансформатор Т1 выполняется на броневом сердечнике типоразмера Б22 из феррита 2000НМ (1500НМ) и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 15 витков, 3—110 витков провода ПЭЛШО-0,18 (рис. 5.6). После проверки и настройки схемы катушку и ферритовые чашки закрепить клеем.
Конденсаторы С2, С4, С5 применены типа К50-29-63В, С1 и СЗ — любые малогабаритные, С6 — К53-1А-20В.
Все элементы схемы размещены на печатной плате с размерами 65х50 мм (рис. 5.7). Для уменьшения высоты платы монтаж выполнен в двух уровнях — конденсаторы С4 и С5 расположены над элементами VT1 и DA1. Схема позволяет получать и более высокое выходное напряжение, чем на входе, если использовать отрицательный выброс напряжения (рис. 5.5).
Если собранное вами устройство является стационарным и может питаться от сети, то для получения двухполярного напряжения можно применить широко распространенные малогабаритные трансформаторы (конструктивно оформленные в виде сетевой вилки). Они имеют одну вторичную обмотку, и, чтобы не перематывать трансформатор, удобно воспользоваться схемой (рис. 5.8).
Рис. 5.7. Печатная плата преобразователя
Рис.5.8
Рис. 5.4 Принципиальная схема источника питания
Рис. 5.5 Эпюры выходного напряжения
Рис. 5.6. Конструкция трансформатора Т1
Рис. 5.7. Печатная плата преобразователя
Рис.5.8 Получение двухполярного напряжения при одной вторичной обмотке
4. Импульсный преобразователь сетевого напряжения
ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Применение импульсного преобразователя напряжения позволяет уменьшить габариты и вес источника питания, что особенно важно для переносных конструкций.
Рис. 5.9. Импульсный преобразователь напряжения
Преобразователь (рис. 5.9), предназначен для питания от сети 220 В устройств с потребляемым током до 3 А при Uвых=9,2 В (для получения из этого напряжения 5 или 6 В можно использовать любую типовую схему линейного стабилизатора).
Предложенный преобразователь отличается от аналогичных простотой и наличием защиты источника питания от перегрузки по выходной цепи в случае короткого замыкания.
Электрическая схема устройства состоит из входного фильтра (элементы С1, С2, СЗ и Т1); цепи запуска (R2, R3, R4, С4, VT1); автогенератора (VT2, VT3, Т2, ТЗ, С5); выпрямителя пониженного напряжения (VD5, VD6, С12, С13). Преобразователь собран по полумостовой схеме.
Входной фильтр преобразователя обеспечивает ослабление помех начиная с частоты 15 кГц более чем в 2 раза.
В цепи запуска используется транзистор VT1 в режиме обратимого пробоя, что позволяет формировать короткие импульсы, которые необходимы в момент включения схемы для запуска работы ключевого каскада VT2, VT3 в режиме автогенератора на частоте 30...60 кГц, при этом рабочую частоту, в небольших пределах, можно изменять емкостью С5.
В случае замыкания в цепи вторичной обмотки трансформатора ТЗ обратная связь в автогенераторе нарушается и генерация срывается до момента устранения неисправности.
КПД преобразователя при токе нагрузки 2 А составляет 0,74 (при токе 4 А—0,63).
В устройстве могут быть использованы резисторы любого типа, конденсаторы С1 типа К73-17 на 630 В; С2, СЗ типа К73-9 или К73-17 на 250 В; С4, С5 типа К10-7; С6, С7 типа К50-35 на 250 В ; С8, С9 типа К73-9 на 250 В; С10...С12 типа К10-17; С13 типа К52-1В на 20 В.
Транзистор VT1 можно заменить на КТ312А, Б, В, транзисторы VT2 и VT3 на КТ838А, КТ846В.
Дроссель Т1 намотан на двух склеенных вместе кольцевых сердечниках типоразмера К20х12х6 из феррита марки 2000НМ. Обмотки 1 и 2 содержат по 45 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм. Трансформатор Т2 выполнен на двух склеенных вместе кольцевых сердечниках типоразмера К10х6х3 из феррита 2000НМ. Обмотка 1 содержит 60 витков, обмотки 2 и 3 — по 15 витков провода ПЭЛШО-0,15 (отвод в обмотке 2 для обратной связи по току от третьего витка). Для изготовления ТЗ применен кольцевой сердечник К28х16х9 (2000НМ). Обмотка 1 наматывается 250 витками проводом ПЭВ-2 0,25, обмотки 2 и 3 — 22 витками проводом ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.
При изготовлении трансформаторов перед намоткой провода необходимо закруглить надфилем острые края сердечников и обернуть их лакотканью. Намотку проводить виток к витку с последующей изоляцией каждого слоя (лучше использовать фторопластовую ленту толщиной 0,1 мм).
Применяемые диоды VD1...VD4 могут быть заменены на любые высоковольтные, замена диодов VD5 и VD6, кроме как на КД2998В, другим типом не рекомендуется.
Наибольшее тепловыделение в схеме происходит на выпрямительных диодах VD5, VD6, и их необходимо устанавливать на радиатор. Остальные детали схемы в теплоотводе не нуждаются.
Конструктивно все элементы схемы, кроме включателя S1 и диодов VD5, VD6, размещены на односторонней печатной плате размером 140х65 мм. Топология печатной платы приведена на рис. 5.10.
Перед первоначальным включением преобразователя необходимо проверить фазы обмоток в цепях базы VT2 и VT3 на соответствие схеме. Если преобразователь при правильном монтаже сразу не начинает работать, то потребуется поменять местами выводы обмотки 1 у трансформатора Т2.
В заключение следует отметить, что, используя данную схему, можно получить и другие напряжения во вторичной цепи, для чего необходимо изменить пропорционально число витков во вторичных обмотках 2 и 3 трансформатора ТЗ.
Рис. 5.10 а. Топология печатной платы
Рис. 5.10 б. Расположение элементов
Рис. 5.10 а. Топология печатной платы
Рис. 5.10 б. Расположение элементов
Рис. 5.9. Импульсный преобразователь напряжения
5. Зарядное устройство - это очень просто
ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО — ЭТО ОЧЕНЬ ПРОСТО
В настоящее время все более широкое применение в различных конструкциях в качестве элементов питания находят аккумуляторы НКГЦ-0,45, Д-0,26 и другие. Приведенное на рис. 5.11 бестрансформаторное зарядное устройство позволяет заряжать одновременно четыре аккумулятора Д-0,26 током 26 мА в течение 12...16 часов.
Рис.5.11
Избыточное напряжение сети 220 В гасится за счет реактивного сопротивления конденсаторов (Хс) на частоте 50 Гц, что позволяет уменьшить габариты зарядного устройства.
Используя эту электрическую схему и зная рекомендуемый для конкретного типа аккумуляторов ток заряда (1з), по приводимым ниже формулам можно определить емкость конденсаторов С1, С2 (суммарную С=С1+С2) и выбрать по справочнику тип стабилитрона VD2 так, чтобы напряжение его стабилизации превышало напряжение заряженных аккумуляторов примерно на 0,7 В.
Тип стабилитрона зависит только от количества одновременно заряжаемых аккумуляторов, так, например, для заряда трех элементов Д-0,26 или НКГЦ-0,45 необходимо применять стабилитрон VD2 типа КС456А. Пример расчета приведен для аккумуляторов Д-0,26 с зарядным током 26 мА.
В зарядном устройстве применяются резисторы типа МЛТ или С2-23, конденсаторы С1 и С2 типа К73-17В на рабочее напряжение 400 В. Резистор R1 может иметь номинал 330...620 кОм (он обеспечивает разряд конденсаторов после отключения устройства).
Светодиод HL1 можно использовать любой, при этом подобрав резистор R3 так, чтобы он светился достаточно ярко. Диодная матрица VD1 заменяется четырьмя диодами КД102А.
Рис.5.12.
Топология печатной платы с расположением элементов показана на рис. 5.12. Плата односторонняя (без отверстий), и элементы устанавливаются со стороны печатных проводников.
При использовании элементов, указанных на схеме, зарядное устройство легко устанавливается в корпусе от блоков питания для карманных микрокалькуляторов (рис. 5.13) или же может размещаться внутри корпуса устройства, где установлены аккумуляторы.
Рис. 5.13. Корпус зарядного устройства
Индикация наличия напряжения в цепи заряда осуществляется светодиодом HL1, который размещается на видном месте корпуса. Диод VD3 позволяет предохранить разряд аккумуляторов через цепи зарядного устройства при отключении его от сети 220 В. При заряде аккумуляторов НКГЦ-0,45 током 45 мА резистор R3 необходимо уменьшить до величины, при которой светодиод светится полной яркостью.
Проверку зарядного устройства лучше проводить при подключении вместо аккумуляторов измерительных приборов и эквивалентной нагрузки (рис. 5.14), минимальная величина которой для четырех аккумуляторов определяется по закону Ома:
R = U/I = 4/0,026 =150 Ом, где
U - напряжение на разряженных аккумуляторах (у основной массы аккумуляторов эта величина составляет один вольт на элемент).
Рис. 5.14. Эквивалентная нагрузка для настройки зарядного устройства
При пользовании зарядным устройством необходимо следить за временем, так как приведенная схема хотя и снижает вероятность получения аккумулятором избыточного заряда (за счет ограничения напряжения стабилитроном), однако полностью такой возможности, при очень большом времени заряда, не исключает. А если у вас нет проблем с памятью, то это простое и малогабаритное устройство поможет сэкономить деньги.
Вторая схема бестрансформаторного зарядного устройства (рис. 5.15) предназначена для одновременного заряда двух аккумуляторов типа НКГЦ-0,45 (НКГЦ-0,5). Здесь обеспечивается асимметричный режим заряда, что позволяет продлить срок службы аккумуляторов. Заряд производится током 40...45 мА в течение одной полуволны сетевого напряжения. В течение второй полуволны, когда соответствующий диод закрыт, элемент G1 (G2) разряжается через резистор R4 (R5) током 4,5 мА.
Рис. 5.15
Заряд аккумуляторов G1 и G2 происходит поочередно, так, например, в течение положительной полуволны заряжается G1 (G2 — разряжается). Такое построение схемы позволяет осуществлять процесс заряда аккумуляторов в независимости друг от друга, и любая неисправность одного из них не нарушит заряд другого.
Для индикации наличия сетевого напряжения в схеме используется миниатюрная лампа HL1 типа СМН6.3-20 или аналогичная. Аккумуляторы нельзя оставлять подключенными к схеме надолго без включения зарядного устойства в сеть, так как при этом происходит их разряд через резисторы R4, R5.
При правильной сборке устройства настройка не требуется.
Рис. 5.16. Электрическая схема блока питания с автоматическим зарядным устройством
Схема, показанная на рис. 5.16, в отличие от вышеприведенных, исключает повреждение аккумуляторов иза получения ими избыточного заряда. Она автоматически отключает процесс заряда при повышении напряжения на элементах выше допустимой величины и состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT2, усилителя VT1, детектора уровня напряжения на VT3 и стабилизатора напряжения D1.
Устройство может использоваться и как источник питания на ток до 100 мА при подключении нагрузки к контактам 1 и 2 штекера Х2.
Индикатором процессазаряда является свечение светодиода HL1, который при его окончании гаснет.
Настройку устройства начинаем со стабилизатора тока. Для этого временно замыкаем базу транзистора VT3 на общий провод, а вместо аккумуляторов подключаем эквивалентную нагрузку с миллиамперметром 0...100 мА. Контролируя прибором ток в нагрузке, подбором резистора R3 устанавливаем номинальный ток заряда для конкретного типа аккумуляторов.
Вторым этапом настройки является установка уровня ограничения выходного напряжения с помощью подстроечного резистора R5. Для этого, контролируя напряжение на нагрузке, увеличиваем сопротивление нагрузки до момента появления максимально допустимого напряжения (5,8 В для четырех аккумуляторов Д-0,26). Резистором R5 добиваемся отключения тока в нагрузке (погаснет светодиод).
При изготовлении устройства можно использовать корпус от источника питания БП2-3 или аналогичный (от него же удобно взять и трансформатор). Трансформатор подойдет любой малогабаритный с напряжением во вторичной обмотке 12...16 В.
Транзистор VT2 крепится к теплорассеивающей пластине. Конденсаторы С1 применяются типа К50-16-25В, С2—типа К50-16-16В. Для удобства настройки в качестве R5 желательно использовать многооборотный резистор типа СП5-2 или аналогичный, остальные резисторы подойдут любого типа.
От источника питания можно получить напряжения 6 или 9 В, если на место микросхемы D1 установить соответственно КР142ЕН5Б (Г) или КР142ЕН8А (Г).
Рис. 5.13. Корпус зарядного устройства
Рис. 5.14. Эквивалентная нагрузка для настройки зарядного устройства
Рис. 5.15 Вторая схема бестрансформаторного зарядного устройства
Рис. 5.16. Электрическая схема блока питания с автоматическим зарядным устройством
Рис.5.11 Принципиальная схема бестрансформаторного зарядного устройства
Рис.5.12 Топология печатной платы с расположением элементов
Ф.1. Пример расчета тока заряда для аккумуляторов Д-0,26 с зарядным током 26 мА.
6. Блок питания с автоматическим зарядным устройством на компараторе
БЛОК ПИТАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ НА КОМПАРАТОРЕ
Блок питания предназначен для питания от сети 220 В напряжением 4 В маломощной нагрузки (током не более 100 мА) и подзаряда трех аккумуляторов типа НКГЦ-0,45 или НКГЦ-0,5 с автоматическим выключением режима заряда.
Когда блок включен в сеть, при наличии напряжения загорается зеленый светодиод. Процесс заряда аккумуляторов контролируется по свечению красного светодиода (при этом переключатель SA1 должен быть включен). Пока идет процесс заряда, он будет постоянно гореть, а при окончании заряда светодиод начинает мигать и интервал его свечения будет меньше, чем пауза,
Схема (рис. 5.17) автоматически следит за процессом заряда и исключает повреждение аккумуляторов. Если блок используется только для питания устройства, то зарядное устройство можно отключать переключателем SA1.
По сравнению с аналогичными по назначению схемами, опубликованными в литературе, данная содержит меньше радиоэлементов и проще в изготовлении.
Необходимое выходное напряжение источника питания устанавливается резистором R2. Настройка устройства проводится для установки тока заряда 45 мА резистором R4 из ряда 15, 18, 20 Ом.
Для настройки вместо аккумуляторов к контактам Х2/3 и Х2/2 подключается резистор 68 Ом мощностью не менее 1 Вт последовательно с миллиамперметром. При этом светодиод HL2 должен постоянно гореть. После выполнения этой операции проверяется работа компаратора DA2. Для чего к контактам Х2/3 и Х2/2 следует подключить резистор 150 Ом (0,5 Вт) параллельно с осциллографом.
Рис.5.17
Диаграмма напряжения при этом должна иметь вид, приведенный на рис. 5.18. Минимальное напряжение на диаграмме задается соотношением резисторов R8 и R9.
Конструктивно блок питания выполнен на односторонней печатной плате, размещенной в корпусе от стандартного источника типа БП2-3, предназначенного для питания микрокалькуляторов. От этого же источника взят и сетевой трансформатор типа Т8-220-50. При использовании трансформатора другого типа его вторичная обмотка должна быть рассчитана на напряжение 12...15 В при токе нагрузки 200 мА. Светодиоды HL1 и HL2 крепятся на верхней крышке корпуса клеем. Штекер Х1 выполнен на основании корпуса, а Х2 соединен с корпусом проводом длиной около 1 м.
Внутри корпуса к транзистору VT1 крепится теплорассеивающая пластина. Применяемые резисторы могут быть любого типа, конденсаторы С1...СЗ — типа К50-16 или аналогичные малогабаритные, микропереключатель SA1 — типа ПД-9-2. Транзистор VT1 можно заменить на КТ814Б.
При использовании указанных выше деталей габариты всего устройства не превышают 60х60х50 мм (рис 5.19).
Рис. 5.19. Внешний вид устройства
Для заряда аккумуляторных элементов другого типа или большего их количества необходимо выставить соответствующий номинальный ток заряда (R4), верхний (R2) и нижний порог (R8) срабатывания компаратора.
Рис. 5.19. Внешний вид устройства
Рис.5.17 Принципиальная схема блока питания с автоматическим зарядным устройством на компараторе
7. Сигнализаторы разряда элементов питания
СИГНАЛИЗАТОРЫ РАЗРЯДА ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ
Рис. 5.20. Световой индикатор
Известно, что разряд аккумулятора до уровня напряжения ниже допустимого для каждого конкретного типа'приводит к снижению его ресурса или может совсем повредить его. Чтобы этого не произошло, необходимо периодически контролировать напряжение на аккумуляторе, что неудобно, учитывая, что для этого необходимо иметь вольтметр.
В журналах неоднократно публиковались схемы сигнализаторов уровня напряжения, однако предлагаемые в данной статье устройства имеют меньше деталей и отличаются малым потреблением.
В основе построения приведенных ниже схем применен индикатор уровня напряжения на транзисторе (VT1) работающем в режиме микротоков. При этом у транзистора очень большой коэффициент усиления и при изменении напряжения питания на 0,1 В он переключается из запертого состояния в открытое.
Рис. 5.21. Звуковой индикатор
На рис. 5.20 приведена схема, которая позволяет показать (по свечению светодиода HL1) снижение ниже допустимой нормы уровня напряжения на элементах питания. Светодиод может быть любого типа. Уровень напряжения, при котором срабатывает сигнализатор, настраивается резистором R2 (удобнее использовать многооборотный, типа СП5-2).
Но иногда лучше иметь звуковую сигнализацию, так как свечение светодиода можно вовремя и не заметить.
Рис. 5.22. Топология печатной платы звукового индикатора (пьезоизлучатель устанавливается со стороны печатных проводников над платой)
На рис. 5.21 приведена схема звукового сигнализатора на пьезоизлучателе HF1 (ЗП-1 или любом аналогичном). Уровень контролируемого напряжения может быть от 2 до 30 В, но при использовании схемы с напряжением более 9 В необходимо подобрать величину резистора R5, для того чтобы схема, при достаточной громкости звука пьезоизлучателя, в режиме сигнализации потребляла ток не более 1... 2 мА. Частота звука зависит от конденсатора С1, и ее можно изменить.
Катушка L1 содержит 600 витков провода ПЭВ диаметром 0,08 мм (0,1 или 0,12 мм), намотанных на склеенных клеем двух кольцах типоразмера К10х6х3 мм из феррита 600НМ1 или 1000НМ1. Топология печатной платы показана на рис. 5.22 .
Рис. 5.20. Световой индикатор
Рис. 5.21. Звуковой индикатор
Рис. 5.22. Топология печатной платы звукового индикатора (пьезоизлучатель устанавливается со стороны печатных проводников над пл
8. Обзор схем восстановления заряда у батареек
ОБЗОР СХЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗАРЯДА У БАТАРЕЕК
Проблема повторного использования гальванических элементов питания давно волнует любителей электроники. В технической литературе неоднократно публиковались различные методы "оживления" элементов, но, как правило, они помогали только один раз, да и ожидаемой емкости не давали.
В результате экспериментов удалось определить оптимальные токовые режимы регенерации и разработать зарядные устройства, пригодные для большинства элементов. При этом они обретали первоначальную емкость, а иногда и несколько превосходящую ее.
Восстанавливать нужно элементы, а не батареи из них, поскольку даже один из последовательно соединенных элементов батареи, пришедший в негодность (разряженный ниже допустимого уровня) делает невозможным восстановление батареи.
Что касается процесса зарядки, то она должна проводиться асимметричным током с напряжением 2,4...2,45 В. При меньшем напряжении регенерация весьма затягивается и элементы после 8...10 часов не набирают и половинной емкости. При большем же напряжении нередки случаи вскипания элементов, и они приходят в негодность.
Перед началом зарядки элемента необходимо провести его диагностику, смысл которой состоит в определении способности элемента выдерживать определенную нагрузку. Для этого к элементу подключают вначале вольтметр и измеряют остаточное напряжение, которое не должно быть ниже 1 В. (Элемент с меньшим напряжением непригоден к регенерации.) Затем нагружают элемент на 1...2 секунды резистором 10 Ом, и, если напряжение элемента упадет не более чем на 0,2 В, он пригоден к регенерации.
Электрическая схема зарядного устройства, приведенная на рис. 5.23 (предложил Б. И. Богомолов), рассчитана на зарядку одновременно шести элементов (G1...G6 типа 373, 316, 332, 343 и других аналогичных им).
Рис. 5.23
Самой ответственной деталью схемы является трансформатор Т1, так как напряжение во вторичной обмотке у него должно быть строго в пределах 2,4...2,45 В независимо от количества подключенных к нему в качестве нагрузки регенерируемых элементов.
Если готового трансформатора с таким выходным напряжением найти не удастся, то можно приспособить уже имеющийся трансформатор мощностью не менее 3 Вт, намотав на нем дополнительно вторичную обмотку на нужное напряжение проводом марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,8.,.1,2 мм. Соединительные провода между трансформатором и зарядными цепями должны быть возможно большего сечения.
Продолжительность регенерации 4...5, а иногда и 8 часов. Периодически тот или иной элемент надо вынимать из блока и проверять его по методике, приведенной выше для диагностики элементов, а можно следить с помощью вольтметра за напряжением на заряжаемых элементах и, как только оно достигнет 1,8...1,9 В, регенерацию прекратить, иначе элемент может перезарядиться и выйти из строя. Аналогично поступают в случае нагрева какого-либо элемента.
Лучше всего восстанавливаются элементы, работающие в детских игрушках, если ставить их на регенерацию сразу же после разряда. Причем такие элементы, особенно с цинковыми стаканами, допускают многоразовую регенерацию. Несколько хуже ведут себя современные элементы в металлическом корпусе.
В любом случае, главное для регенерации не допускать глубокого разряда элемента и вовремя ставить его на подзарядку, так что не спешите выбрасывать отработанные гальванические элементы.
Вторая схема (рис. 5.24) использует тот же принцип подзарядки элементов пульсирующим ассимметричным электрическим током. Она предложена С. Глазовым и проще в изготовлении, так как позволяет использовать любой трансформатор с обмоткой, имеющей напряжение 6,3 В. Лампа накаливания HL1 (6,3 В; 0,22 А) выполняет не только сигнальные функции, но и ограничивает зарядный ток элемента, а также предохраняет трансформатор в случае коротких замыканий в цепи зарядки.
Рис. 5.24
Стабилитрон VD1 типа КС119А ограничивает напряжение заряда элемента. Он может быть заменен набором из последовательно включенных диодов - двух кремниевых и одного германиевого - с допустимым током не менее 100 мА. Диоды VD2 и VD3 — любые кремниевые с тем же допустимым средним током, например КД102А, КД212А.
Емкость конденсатора С1 — от 3 до 5 мкФ на рабочее напряжение не менее 16В. Цепь из переключателя SA1 и контрольных гнезд Х1, Х2 для подключения вольтметра. Резистор R1 — 10 Ом и кнопка SB1 служат для диагностики элемента G1 и контроля его состояния до и после регенерации.
Нормальному состоянию соответствует напряжение не менее 1,4 В и его уменьшение при подключении нагрузки не более чем на 0,2 В.
О степени заряженности элемента можно также судить по яркости свечения лампы HL1. До подключения элемента она светится примерно в полнакала. При подключении разряженного элемента яркость свечения заметно увеличивается, а в конце цикла зарядки подключение и отключение элемента почти не вызывает изменения яркости.
При подзарядке элементов типа СЦ-30, СЦ-21 и других (для наручных часов) необходимо последовательно с элементом включать резистор на 300...500 Ом. Элементы батареи типа 336 и других заряжаются поочередно. Для доступа к каждому из них нужно вскрыть картонное донышко батареи.
Рис. 5.25
Если требуется восстановить заряд только у элементов питания серии СЦ, схему для регенерации можно упростить, исключив трансформатор (рис. 5.25).
Работает схема аналогично вышеприведенным. Зарядный ток (1зар) элемента G1 протекает через элементы VD1, R1 в момент положительной полуволны сетевого напряжения. Величина Iзар зависит от величины R1. В момент отрицательной полуволны диод VD1 закрыт и разряд идет по цепи VD2, R2. Соотношение Iзар и Iразр выбрано 10:1. У каждого типа элемента серии СЦ своя емкость, но известно, что величина зарядного тока должна составлять примерно десятую часть от электрической емкости элемента питания. Например, для СЦ-21 — емкость 38 мА-ч (Iзар=3,8 мА, Iразр=0,38 мА), для СЦ-59 — емкость 30 мА-ч (Iзар=3 мА, Iразр=0,3 мА). На схеме указаны номиналы резисторов для регенерации элементов СЦ-59 и СЦ-21, а для других типов их легко определить, воспользовавшись соотношениями: R1=220/2·lзap, R2=0,1·R1.
Установленный в схеме стабилитрон VD3 в работе зарядного устройства участия не принимает, но выполняет функцию защитного устройства от поражения электрическим током — при отключенном элементе G1 на контактах Х2, ХЗ напряжение не сможет возрасти больше, чем уровень стабилизации. Стабилитрон КС175 подойдет с любой последней буквой в обозначении или же может быть заменен двумя стабилитронами типа Д814А, включенными последовательно навстречу друг другу ("плюс" к "плюсу"). В качестве диодов VD1, VD2 подойдут любые с рабочим обратным напряжением не менее 400 В.
Рис. 5.26
Время регенерации элементов составляет 6...10 часов. Сразу после регенерации напряжение на элементе будет немного превышать паспортную величину, но через несколько часов установится номинальное — 1,5 В.
Восстанавливать таким образом элементы СЦ удается три-четыре раза, если их ставить вовремя на подзарядку, не допуская полного разряда (ниже 1В).
Аналогичный принцип работы имеет схема, показанная на рис. 5.26. Она в особых пояснениях не нуждается.
Рис. 5.23 Электрическая схема зарядного устройства
Рис. 5.24 Упрощенная схема зарядного устройства
Рис. 5.25 Схема для регенерации элементов серии СЦ без трансформатора
Рис. 5.26 Вариант схемы для регенерации
3. Схемы разных устройств
Схемы разных устройств
В этой части приведены схемы и информация об устройствах различного назначения, которые нельзя отнести к одному из имеющихся в данной брошюре разделов или же они относятся сразу к нескольким разделам. По этой причине автор посчитал более удобным их выделить в отдельную группу.
1. Имитатор голосов птиц
ИМИТАТОР ГОЛОСОВ ПТИЦ
Это простое устройство поможет "оживить" игрушку для ребенка, но оно может найти и другие применения. Электрическая схема (рис. 6.1) позволяет имитировать голоса птиц. Так, при емкости С5 — 0,015 мкФ звук будет похож на писк птенцов, а при подключении параллельно (включателем S1) еще емкости С4 — 0,068 мкФ — крик чаек. Проведя небольшие эксперименты с величиной конденсаторов С4, С5 и резистором R3, можно получить и многие другие голоса птиц. Интервал между звуками зависит от величины номиналов R2 и С2.
Рис. 6.1. Электрическая схема имитатора
В качестве источника звука HF1 применяется пьезоизлучатель ЗП-1 — он отлично передает необходимый спектр сигналов. А для увеличения громкости звука пьезоизлучателя использован трансформатор Т1, намотанный на броневом сердечнике Б22 из феррита марки М2000НМ (или М1500НМ) (рис. 5.6). Обмотка содержит 80+250 витков провода ПЭЛ диаметром 0,12 мм с отводом от верхнего (по схеме) вывода.
В качестве Т1 допустимо применение также согласующего трансформатора от малогабаритных радиоприемников, но при этом могут быть уменьшены высокочастотные составляющие в спектре сигнала и звук будет иметь немного другой тембр звучания. Это кому как нравится.
При настройке схемы из-за технологического разброса параметров транзисторов КП313А при изготовлении может потребоваться их подбор. Поэтому лучше его временно устанавливать на съемную колодку Х1.
Микросхема D1 заменима на 564ЛН2, а вместо VD1 подойдут любые импульсные диоды. Транзистор VT1 можно применить типа КТ3102А, но при этом надо уменьшить R6 до 1 кОм. Конденсаторы и резисторы — любого типа.
Рис. 6.2. Топология печатной платы и расположение элементов (пьезоизлучатель HF1 не показан)
Топология печатной платы и расположение на ней элементов приведены на рис. 6.2. Пьезоизлучатель устанавливается над радиодеталями платы.
Схема сохраняет работоспособность при изменении питания от 3,5 до 5 В и потребляет ток не более 20 мА.
Рис. 6.1. Электрическая схема имитатора
Рис. 6.2. Топология печатной платы и расположение элементов (пьезоизлучатель HF1 не показан)
2. Электроакопунктурный стимулятор
ЭЛЕКТРОАКОПУНКТУРНЫЙ СТИМУЛЯТОР
В настоящее время традиционное использование в медицине иглотерапии с успехом может заменить электрический стимулятор биологически активных точек. Этот простой прибор поможет самостоятельно лечить различные заболевания. Особенно он будет полезен при болезнях, дающих аллергическую реакцию в случае лечения химическими препаратами.
При использовании электроакопунктурного стимулятора нужно проконсультироваться с опытным в области иглотерапии врачем, который подскажет, какие точки и как связаны с внутренними органами.
Рис. 6.3
Для облегчения поиска активных точек стимулятор имеет положение переключателя S1 ПОИСК (рис. 6.3). Известно, что сопротивление кожи в месте расположения активных точек значительно меньше, чем в остальных местах. Эта особенность и используется при поиске. О значении сопротивления поверхности можно узнать по величине отклонения стрелки прибора РА1. О правильном определении биологически активной точки тела можно судить также по большой амплитуде отклонений стрелки прибора РА1 в режиме РАБОТА.
При пользовании прибором один электрод с помощью токопроводного зажима крепится к уху, а вторым, выполненным в виде острого щупа (радиус закругления конца 0,3...0,6 мм), касаются точек тела. При этом в активных точках должно ощущаться легкое покалывание (когда прибор включен).
Резистором R9 можно регулировать величину протекающего тока. Нужная точка стимулируется в течение 15...20 секунд. За один сеанс много точек стимулировать нежелательно.
Питается устройство от аккумулятора 7Д-0.125Д или аналогичной батарейки с напряжением 9 В.
В устройстве имеется звуковая индикация которая срабатывает при снижении напряжения питания ниже 7,4 В, что позволяет вовремя сменить или подзарядить элементы питания.
Электрическая схема стимулятора собрана на трех КМОП микросхемах, что обеспечивает малое потребление тока. Она состоит из задающего генератора на элементах микросхемы D1.1 и D1.2, делителя частоты (D2), индикатора снижения напряжения (VT1, D1.3, D3.1...D3.4). На выходных электродах схемы действует двухполярное напряжение с амплитудой в два раза больше, чем напряжение питания.
При отключении устройства (положение 81 — ОТКЛ) одна из групп контактов закорачивает выводы микроамперметра РА1, что обеспечивает защиту механизма измерительного прибора от повреждения при транспортировке.
В схеме применены переменные резисторы типа СП2-2-0.5 , а остальные резисторы — С2-23, конденсаторы типа К10-17. Микроамперметр РА1 со шкалой 50-0-50 мкА, например типа М4247 (нуль в середине шкалы). Пьезоизлучатель HF1 заменяется на ЗП-3, ЗГИ 8 или аналогичный. Переключатель S1 — ПГ2-18-ЗП4Н .
Транзистор может применяться с любой последней буквой в обозначении.
Настройка схемы заключается в установке порога срабатывания звукового сигнализатора резистором R2 при изменении питающего напряжения. Для этого потребуется стационарный источник с изменяемым выходным напряжением.
При использовании указанных деталей, все устройство легко размещается в корпусе с размерами 110х110х30 мм.
Рис. 6.3 Электроакопунктурный стимулятор
3. Простой прерыватель тока в нагрузке
ПРОСТОЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА В НАГРУЗКЕ
Иногда требуется периодически включать (или выключать) подключенную к источнику питания нагрузку, например лампу аварийной сигнализации в автомобиле, звуковую сирену и т. д.
Рис. 6.4
Приведенная на рис. 6.4 схема может так же найти применение в различных игрушках и автоматических устройствах, где требуется обеспечивать прерывистый режим работы. Устройство может также использоваться и как вибратор, для перемешивания раствора.
Схема работает от источника с напряжением от 2,4 до 5 В. При использовании реле К1 на напряжение 9 В рабочее напряжение может быть увеличено до 13 В. В этом случае в цепь базы транзистора VT2 необходимо установить резистор 56...100 Ом.
Рис. 6.5
Схема является несимметричным мультивибратором, где время включения реле (период) зависит от номиналов элементов С1 и R2. Резистором R1 период может меняться в диапазоне от 0,5 до 12 секунд, при этом реле включается примерно на 0,5 секунды.
Чтобы обеспечить работу схемы при низковольтном питании, реле К1 выполнено на основе любого открытого реле с катушкой, намотанной проводом ПЭВ диаметром 0,33 мм. Намотка выполняется до заполнения всего каркаса катушки.
При выборе реле необходимо учитывать допустимый ток через контакты и удобство разборки конструкции для перемотки катушки на более низкое рабочее напряжение. Удобно для этих целей взять польские KP460DC (рис. 6.5), но подойдут и многие отечественные.
Рис. 6.4 Принципиальная схема простого прерывателя тока в нагрузке
Рис. 6.5 Использование польского реле KP460DC
4. Порт Кемпстон джойстика для ZX-Spectrum
ПОРТ КЕМПСТОН ДЖОЙСТИКА ДЛЯ ZX-SPECTRUM
Эта схема предназначена для тех, кто уже имеет или же только собирается изготовить популярный бытовой компьютер из семейства совместимых с ZX-SPECTRUM.
Рис. 6.6
Предлагаемая схема (рис. 6.6) отличается от аналогичных малым потреблением тока, так как выполнена на трех КМОП микросхемах. Другим достоинством схемы является наличие режима автоматического оружия (включается тумблером SA1), что, как показывает опыт, для некоторых игр является очень удобным.
При работе устройства используется возможность микросхемы 561 ЛН1 находиться в третьем состоянии (выходы отключены от нагрузки при лог. "1" на выводе 4). Это позволяет ее подключить непосредственно к цепям микропроцессора Z80. Схема работает при опросе порта компьютером.
Генератор, собранный на микросхеме DD1, обеспечивает подачу импульсов с частотой примерно 2 Гц при нажатии на кнопку ОРУЖИЕ, если тумблер SA1 установлен в нижнее положение на схеме.
Резисторы R1...R6 могут быть 1...10 «Ом. Вместо микросхем 561-ой серии можно применить серию 564.
При наличии места устройство размещается внутри компьютера или же в виде отдельной приставки, подключаемой к системному разъему (Х2).
Рис. 6.6 Порт Кемпстон джойстика для ZX-Spectrum
5. Подключение монитора "Электроника 32 ВТЦ-202" к компьютеру семейства IBM
ПОДКЛЮЧЕНИЕ МОНИТОРА "ЭЛЕКТРОНИКА 32 ВТЦ-202" К КОМПЬЮТЕРУ СЕМЕЙСТВА IBM
Те, кто уже имеет опыт работы с компьютерами стандарта IBM, уже вряд ли захотят пользоваться другими бытовыми компьютерами. Такой компьютер может быть не только отличным игровым партнером, но и способен выполнять полезную работу, становясь вашим надежным помощником.
Рис. 6.7. Доработка схемы платы модуля видеоканала
Покупать для дома полностью скомплектованный компьютер семейства IBM (центральный блок с процессором, клавиатура, монитор и другими устройствами) довольно дорого, но, если у вас дома есть широко распространенный монитор "Электроника 32 ВТЦ-202", расходы можно уменьшить, подключив его к компьютеру в соответствии со схемой, приведенной на рис. 6.7, а остальные узлы докупать по мере необходимости.
Потребуется незначительная доработка монитора, которая заключается в установке дополнительного разъема ХЗ, например типа РС10, и выполнение соединений, приведенных на схеме. Это необходимо, чтобы разделить сигналы управления интенсивности цвета, приходящие с видеоконтроллера IBM.
Рис. 6.8. Соединительный кабель между монитором и EGA адаптером
Монитор с помощью кабеля (рис. 6.8) подключается к EGA видеокарте компьютера. Разъем ХЗ может быть любым, с соответствующим количеством контактов, а в качестве Х4 (подключаемого к компьютеру) можно использовать разъем типа РП15-9Ш, СИП-101-9 отечественного производства или аналогичные импортные —DB-9M.
При распайке разъема Х4 следует придерживаться нумерации, указанной на разъеме карты EGA (нумерацию легко можно прочитать с помощью увеличительного стекла), так как у отечественных разъемов нумерация другая.
Любая видеокарта EGA имеет микропереключатели, от положения которых зависит режим работы видеоадаптера. Как правило, их четыре, хотя может быть и больше. В этом случае для работы с монитором необходимо первые четыре установить в положение, показанное на рис. 6.9. Установка выполняется до включения компьютера, так как он считывает их состояние только один раз при включении питания. При этом видеокарта будет работать с частотой синхроимпульсов, соответствующей частоте развертки монитора.
Встречаются EGA видеокарты, в которых микропереключатели конфигурации не вынесены на панель с разъемом, и для доступа к ним придется открыть корпус компьютера.
Для получения картинки в центре экрана может потребоваться небольшая подстройка переменными резисторами, установленными в блоке разверток на платах АЗ.3 и A3.2 монитора.
Рис. 6.9. Видеокарта EGA
Такое подключение монитора позволит вам поиграть в популярные компьютерные игры: ПРИНЦ ИЗ ПЕРСИИ, SYPERTETRIS, CHESSMASTER-2100, LHX, RETALIATOR, GODS и многие другие, а также воспользоваться нортоновской оболочкой и утилитами, работать с простым редактором текстов, например "Слово и дело", корректировщиком русских текстов DIACOR (исправление грамматических ошибок) и другими программами. Эта доработка не вносит существенных изменений в работу монитора, и при необходимости его можно использовать для работы с другими
бытовыми компьютерами, например ZX-SPECTRUM.
Рис. 6.7. Доработка схемы платы модуля видеоканала
Рис. 6.8. Соединительный кабель между монитором и EGA адаптером
Рис. 6.9. Видеокарта EGA
6. Промежуточный усилитель для звуковой карты компьютера
ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ЗВУКОВОЙ КАРТЫ КОМПЬЮТЕРА
Необходимой частью современного компьютера является Sound Blaster. Он позволяет получить звуковое сопровождение программ. В мире в последнее время большинство звуковых карт (плат) для компьютеров семейства IBM выпускаются без мощного оконечного усилителя и рассчитаны на подключение активных колонок или любого усилительного комплекса. Это позволяет получить более высокое качество звука и исключает перегрузку внутреннего источника питания компьютера.
Имея небольшой опыт работы на персональном компьютере, несложно приобрести и установить звуковую плату в любое свободное гнездо соответствующего разъема на материнской плате (внутри корпуса компьютера). В магазинах большой выбор звуковых карт — от укомплектованных в наборе, включающем колонки, до отдельных узлов. Покупать набор получается значительно дороже, чем то же самое по отдельности. Да и не всех комплектация набора способна удовлетворить качеством компонентов, например входящих колонок. Но приобретя все компоненты по отдельности, есть риск столкнуться с неполной совместимостью узлов. Так, купив хорошую звуковую карту фирмы "Creative" и отлично звучащие колонки SP-690 (50 Вт) фирмы "Advance", при их соединении вместе обнаружились два недостатка. Во-первых сигнал со звуковой карты недостаточен по уровню, чтобы получить от колонок максимальную мощность. Вторым недостатком явился сильный щелчок в динамиках при включении питания компьютера.
Согласовать уровень сигнала и убрать щелчки позволяет схема, приведенная на рис. 6.10. Узлы усилителей УС1 и УС2 идентичны. Каждый канал обеспечивает усиление в 7,5 раз в полосе частот 20...100000 Гц. Конденсатор С4 в цепи базы транзистора VT3 дает плавное нарастание напряжения питания на усилителях — это устраняет прохождение импульсного броска от переходных процессов.
Рис. 6.10. Схема усилителя
Питаться промежуточный усилитель может от блока питания компьютера, для чего потребуется на задней стенке корпуса установить миниатюрный разъем ХЗ, соединенный с цепью +12 В источника питания. Ток потребления схемы не более 4, 6 мА.
В схеме использованы детали: конденсаторы С1...С4 типа К53-1Б, резисторы любого типа. Штекер Х1 должен подходить к разъему звуковой карты, гнездо Х2 типа ОНП-ВГ-68-8/16, 5х14-Р или аналогичное, для подключения штекера активных колонок, ХЗ — любой малогабаритный.
Топология печатной платы и расположение на ней элементов показаны на рис. 6.11.
Настройка схемы заключается в получении одинакового усиления в каналах, подбором номинала резистора 1R6 (2R6) в пределах 200...1500 Ом (регулируется величина отрицательной обратной связи).
Рис. 6.11. Топология печатной платы
Рис. 6.10. Схема усилителя
Рис. 6.11. Топология печатной платы
7. Переключатель световых гирлянд
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЕТОВЫХ ГИРЛЯНД
Для светового оформления елки, помещения или витрины магазина часто используют световые гирлянды, рассчитанные на напряжение питания 220В.
Схема устройства (рис. 6.12) позволяет автоматически управлять включением трех гирлянд, что не только привлекает внимание, но и помогает создать праздничное настроение. При этом в зависимости от положения движков переменных резисторов серии импульсов на соответствующих выходах будут различными, что делает эффект загорания не периодическим. Это не утомляет зрение при длительной работе устройства, как в случае одной и той же заданной последовательности включения гирлянд.
Рис.6.12
Коммутация гирлянд осуществляется тиристорами VS1...VS3. Управляют включением тиристоров транзисторные ключи VT1...VT3, на базу которых поступает сигнал от двух источников — генераторов импульсов на элементах микросхемы D1 и сетевой пульсации, проходящей через переменные резисторы R7, R12, R16.
В зависимости от положения соответствующего движка резистора в результате смешивания разночастотных сигналов образуются разные сигналы управления транзисторами, что и образует разные серии световых импульсов.
Устройство рассчитано на подключение к каждому каналу ламп с потребляемым током не более 1 А (мощность нагрузки 220 Вт), однако, если тиристоры установить на радиаторы, а диоды VD1...VD4 использовать более мощные (КД206(А-В) или аналогичные), допустимый ток нагрузки каждого канала увеличится до 2 А,
Для подавления возможных радиопомех, возникающих при работе тиристоров, в цепь питания устройства включен фильтр, состоящий из дросселя Т1 и конденсаторов С1, С2 типа К73-16В на 400 В или аналогичные. Дроссель намотан на двух склеенных вместе ферритовых кольцах типоразмера К20х12х6 мм из феррита марки 2000НМ. Обе обмотки содержат по 30 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм. Остальные конденсаторы: СЗ, С4, С6 - К73-17 ; С5, С7...С9 — К53-4 на 16 В. Переменные резисторы применены типа СПО-0,5 (номинал может быть 12 кОм), остальные резисторы типа С2-23.
В схеме можно использовать любые маломощные транзисторы соответствующей проводимости.
В качестве предохранителя F1 установлена перемычка из медного провода диаметром 0,12...0,16 мм. Сетевой включатель может быть любым, с допустимым током коммутации не менее 3 А.
Общий габариты устройства не превышают 130х130х30 мм.
Рис.6.12 Переключатель световых гирлянд
8. Регулятор мощности для нагревателей
РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
Многие пользуются бытовыми электроплитами, а также другими электрическими нагревательными приборами. Некоторые из них, например двухконфорочная электроплитка "Россиянка", имеют термоэлектрические регуляторы нагрева. Терморегулятор позволяет не только экономить электроэнергию, но и делает более удобным процесс приготовления еды.
Термоэлектрические регуляторы обладают низкой надежностью и требуют периодического ремонта или подрегулировки. Избавиться от этих забот поможет схема электронного регулятора мощности (рис. 6.13). Схема позволяет плавно регулировать нагрев двух нагревателей мощностью по 2 кВт каждый.
Использование бесконтактной электронной регулировки мощности в нагрузке не только повышает надежность работы всего устройства, но и позволяет легко дополнить схему таймером (A3), который может через заданный интервал времени отключить нагреватель (ЕК2). Схема таймера (A3) в данной статье не приводится — она может быть любой из опубликованных в литературе.
Для удобства размещения терморегулятора внутри корпуса плитки конструктивно схема выполнена в виде двух узлов на платах с размерами 155х55 мм (схемы А1 и A3 лучше располагать на одной плате).
Электрическая схема блока управления (рис. 6.14) собрана на однопереходных транзисторах и является типовой. Коммутация нагрузки производится с помощью мощных тиристоров VS1 и VS2. Элементы схемы выбраны со значительным запасом по рабочему току, с учетом возможного их размещения (без радиатора) вблизи от нагревательных элементов.
Рис. 6.13. Блоки схемы регулятора мощности: А1 — блок управления, А2 — блок коммутации, A3 — временной таймер, ЕК1 и ЕК2 — нагревательные элементы.
Монтаж силовых цепей схемы (блока А2) выполняется проводом, сечением не менее 2,5 кв. мм в термостойкой изоляции.
В устройстве применены переменные резисторы R1 и R2 типа ППБ-15Г, остальные — типа С2-23. Конденсаторы С1...С4типаК73-9на100В.
В качестве предохранителей F1, F2 можно использовать перемычки из медного провода диаметром 0,3 мм. Варистор RU1 предназначен для защиты элементов схемы от кратковременных бросков напряжения в питающей сети и может применяться типа СН1-1 на 560 В.
Настройка схемы производится резисторами R3 и R7 для получения максимального напряжения в нагрузке при нулевом значении резисторов R1 и R2. Из-за большого технологического разброса параметров однопереходных транзисторов иногда может потребоваться также подбор конденсаторов С1 и СЗ.
Рис. 6.14. Электрическая схема блока управления
Рис. 6.13. Блоки схемы регулятора мощности:
Рис. 6.14. Электрическая схема блока управления
9. Регулятор яркости освещения
РЕГУЛЯТОР ЯРКОСТИ ОСВЕЩЕНИЯ
Светорегулятор предназначен для плавного изменения яркости свечения обычных ламп освещения с общей мощностью до 1000 Вт.
Регулирующим элементом схемы (рис. 6.15) является электронный коммутатор — тиристор VS1 типа Т122-20-4 (Т122-25-4), на управляющий электрод которого поступают импульсы открывающего напряжения, сдвинутые по фазе относительно анодного. От момента открывания тиристора (величины фазового сдвига) зависит яркость свечения лампы.
Фазосдвигающая цепь состоит из R6, R7 и С2. Как только напряжение на конденсаторе С2 возрастет до порога срабатывания однопереходного транзистора VT1, он открывается и конденсатор разряжается через резисторы R1 и R2. Яркость освещения изменяется резистором R6.
Рис. 6.15. Электрическая схема светорегулятора
Рис. 6.16. Светорегулятор с плавным нарастанием яркости
В схеме применены резисторы R1...R5, R7, R8 типа МЛТ , R6 — СПЗ-4а, конденсаторы С1, С2—К73-17 на 250 В. Диоды VD1...VD4 подойдут любые высоковольтные, с допустимым током не менее 10 A; VD5 и VD6 можно заменить одним стабилитроном, например типа Д816А. Тиристор VS1 устанавливается на радиатор.
Отмеченные на схеме "*" элементы могут потребовать подбора при настройке. Резистором R7 настраивается максимум напряжения на лампе при нулевом сопротивлении R6.
Показанный на схеме пунктиром светодиод можно не устанавливать, но его наличие позволяет знать, что включена схема, а лампа не светится из-за того, что регулятором яркость свечения уменьшена до нуля.
Вторая схема (рис. 6.16) позволяет не только регулировать напряжение на лампе, но и обеспечивает плавное нарастание яркости свечения до значения, установленного резистором R7. Это значительно продлевает срок службы лампы за счет устранения перегрузки в момент включения. Кратковременная перегрузка лампы возникает из-за того, что нить накала в холодном состоянии имеет на порядок меньшее сопротивление, чем нагретая.
Настройка схемы регулировки яркости выполняется аналогично уже описанной выше, для чего коллектор VT3 временно закорачиваем на общий провод — транзистор VT2 будет в насыщении. После настройки регулятора яркости, при отключенном диоде VD5, подбором номинала резистора R10 добиваемся, чтобы при положении регулятора яркости "максимум" лампа чуть светилась. Теперь можно подключать диод VD5 и проверять работу устройства.
При включении схемы (S1), если регулятор (R7) установлен на максимальную яркость, свечение лампы будет плавно возрастать в течение 1...2 секунд.
Рис. 6.17. Светорегулятор на симисторе с плавным нарастанием яркости
Аналогичную схему можно выполнить на симисторном коммутаторе (рис. 6.17). Что позволяет уменьшить габариты устройства, так как в этом случае не нужны мощные выпрямительные диоды. Импульсный трансформатор Т1 наматывается проводом ПЭЛШО-0,12 на ферритовом кольце М4000НМ типоразмера К16х10х4 мм и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 60 витков. Перед намоткой, острые грани сердечника закругляем надфилем. Иначе они прорежут провод. После намотки и пропитки катушки лаком, необходимо убедиться в отсутствии утечки между обмотками, а также обмоткой и ферритом каркаса.
Электролитический конденсатор С2 необходимо использовать с небольшим током утечки, например типа К52-1. Подстроечный резистор R9 типаСПЗ-19а.
Рис.6.18
Вариант топологии печатной платы для схемы с симистором приведен на рис. 6.18.
Применяемые в схемах тиристор и симистор позволяют управлять и более мощной нагрузкой (2000 Вт), но в этом случае их необходимо установить на радиатор.
Рис. 6.15. Электрическая схема светорегулятора
Рис. 6.16. Светорегулятор с плавным нарастанием яркости
Рис. 6.17. Светорегулятор на симисторе с плавным нарастанием яркости
Рис.6.18 Вариант топологии печатной платы для схемы с симистором
10. Управление электромотором постоянного тока
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМОТОРОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Во многих станках применяют электромоторы (ЭМ) постоянного тока. Они легко позволяют плавно управлять частотой вращения, изменяя постоянную составляющую напряжения на якорной обмотке, при постоянном напряжении обмотки возбуждения (0В).
Рис. 6.19. Схема электропривода
Электрическая схема (рис. 6.19) будет полезна тем, кто собирает для себя необходимый станок или устройство с электроприводом. Схема позволяет управлять электромотором мощностью до 5 кВт.
Мощные ЭМ постоянного тока имеют несколько особенностей, которые необходимо учитывать:
а) нельзя подавать напряжение на якорь ЭМ без подачи номинального напряжения (обычно 180...220 В) на обмотку возбуждения;
б) чтобы не повредить мотор, недопустимо сразу подавать при включении номинальное напряжение на якорную обмотку, из-за большого пускового тока, превышающего номинальный рабочий в десятки раз.
Приведенная схема позволяет обеспечить необходимый режим работы — плавный запуск и ручную установку нужной частоты вращения ЭМ.
Направление вращения изменится, если поменять полярность подключения проводов на обмотке возбуждения или якоре (делается это обязательно только при выключенном ЭМ).
В схеме применены два реле, что позволяет выполнить автоматическую защиту элементов схемы от перегрузки. Реле К1 является мощным пускателем, оно исключает вероятность включения ЭМ при установленной резистором R1 не нулевой начальной скорости. Для этого на оси переменного резистора R1 закрепляется рычаг, связанный с кнопкой SB2, которая замыкается (рычагом) только при максимальном значении сопротивления (R1) — это соответствует нулевой скорости.
Когда замкнуты контакты SB2, реле К1 при нажатии кнопки ПУСК (SB1) включится и своими контактами К1.1 самоблокируется, а контакты К1.2 включат электропривод.
Реле К2 обеспечивает защиту от перегрузки при отсутствии тока в цепи обмотки возбуждения ЭМ. В этом случае контакты К2.1 отключат питание схемы.
Питается схема управления без трансформатора, непосредственно от сети через резистор R3.
Величина действующего значения напряжения на якорной обмотке устанавливается с помощью изменения резистором R1 угла открывания тиристоров VS1 и VS2. Тиристоры включены в плечи моста, что уменьшает число силовых элементов в схеме.
На однопереходном транзисторе VT2 собран генератор импульсов, синхронизированных с периодом пульсации сетевого напряжения. Транзистор VT1 усиливает импульсы по току, и через разделительный трансформатор Т1 они поступают на управляющие выводы тиристоров.
При выполнении конструкции тиристоры VS1, VS2 и диоды VD5, VD6 необходимо установить на теплоотводящую пластину (радиатор).
Часть схемы управления, выделенная на рисунке пунктиром, размещается на печатной плате (рис. 6.20).
Постоянные резисторы применены типа С2-23, переменный R1 — типа ППБ-15Т, R7 — СПЗ-196, R3 — типа ПЭВ-25. Конденсаторы С1 и С2 любого типа, на рабочее напряжение не менее 100 В. Выпрямительные диоды VD1 ...VD4 на ток 10 А и обратное напряжение 300 В, например Д231 Д231А Д232,Д232А,Д245,Д246.
Импульсный трансформатор Т1 выполнен на ферритовом кольце М2000НМ типоразмера К20х12х6 мм и намотан проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм. Обмотка 1 и 2 содержат по 50 витков, а 3 — 80 витков.
Перед намоткой, острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, чтобы исключить продавливание и замыкание витков.
При первоначальном включении схемы замеряем ток в цепи обмотки возбуждения (0В) и по закону Ома рассчитываем номинал резистора R2 так, чтобы срабатывало реле К2. Реле К2 может быть любым низковольтным (6...9 В) — чем меньше напряжение срабатывания, тем лучше. При выборе резистора R2 необходимо учитывать также рассеиваемую на нем мощность. Зная ток в цепи 0В и напряжение на резисторе, ее легко посчитать по формуле P=UI. Вместо К2 и R2 лучше применять выпускаемые промышленностью специальные токовые реле, но они из-за узкой области применения не всем доступны. Токовое реле несложно изготовить самостоятельно, намотав на большем герконе примерно 20 витков проводом ПЭЛ диаметром 0.7...1 мм.
Для настройки схемы управления вместо якорной цепи мотора подключаем лампу мощностью 300...500 Вт и вольтметр. Необходимо убедиться в плавном изменении напряжения на лампе резистором R1 от нуля до максимума,
Иногда, из-за разброса параметров однопереходного транзистора, может потребоваться подбор номинала конденсатора С2 (от 0,1 до 0,68 мкФ) и резистора R7 (R7 устанавливает при минимальном значении сопротивления R1 максимум напряжения на нагрузке).
Если при правильном монтаже не открываются тиристоры, то необходимо поменять местами выводы во вторичных обмотках Т1. Неправильная фазировка управляющего напряжения, приходящего на тиристоры VS1 и VS2, не может их повредить. Для удобства контроля работы тиристоров управляющее напряжение допустимо подавать сначала на один тиристор, а потом на другой — если регулируется резистором R1 напряжение на нагрузке (лампе), фаза подключения импульсов управления правильная. При работе обоих тиристоров и настроенной схеме напряжение на нагрузке должно меняться от 0 до 190 В.
Рис. 6.20
На этом настройка закончена и можно подключать якорную цепь ЭМ.
Исключить вероятность подачи максимального напряжения на якорную обмотку в момент включения можно и электронным способом, воспользовавшись схемой, аналогичной приведенной на рис 6.17. (Конденсатор С2 обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения в момент включения, а в дальнейшем на работе схемы не сказывается.) В этом случае включатель SB2 не нужен.
Рис. 6.19. Схема электропривода
Рис. 6.20 Вариант топологии печатной платы
11. Озонатор воздуха
ОЗОНАТОР ВОЗДУХА
Данное устройство будет полезным для очистки воздуха в помещении или уничтожения бактерий при инфекционных болезнях. Небольшая концентрация озона позволяет также улучшить длительное хранение продуктов, например в подвале.
В основе работы прибора используется свойство воздуха при пропускании через него электрических искр образовывать новое вещество — ОЗОН. При обычных условиях это газ, имеющий характерный запах (молекула озона состоит из трех атомов кислорода и в природных условиях находится в верхних слоях атмосферы и образуется в результате атмосферных разрядов).
Рис. 6.21
Как сильный окислитель, озон убивает бактерии и потому может применяться, например, для обеззараживания воды и дезинфекции воздуха. Но следует знать, что озон ядовит и предельно допустимым является его содержание в воздухе 0,00001%. При этой концентрации хорошо ощущается его запах.
В схеме устройства (рис. 6.21) на излучателе А1 образуется электрическая дуга, через которую проходит поток воздуха. Для образования равномерно распределенной дуги на излучателе необходимо получить высоковольтное напряжение (15...80 кВ) достаточной мощности. Это осуществляется с помощью схемы преобразователя и трансформатора Т1. В первичной обмотке Т1 тиристор VS1 формирует импульсы за счет разряда конденсаторов С1...СЗ через обмотку. Управляет работой тиристора автогенератор на транзисторе VT1. Резистор R2 подобран так, что, когда напряжение на конденсаторах С1...СЗ достигнет 300 В (за счет заряда от сети), открывается тиристор VS1.
Устройство не критично к деталям, и резисторы могут иметь номиналы, близкие к указанным на схеме. Конденсаторы С1...СЗ типа МБМ, К42У-2, на рабочее напряжение не менее 500 В, С4 — К73-9 на 100 В. Диоды VD1...VD4 можно заменить сборкой КЦ405Ж, В.
Рис. 6.22. Каркас для намотки высоковольтного трансформатора Т1
Высоковольтный трансформатор Т1 выполнен на пластинах из трансформаторного железа, набранных в пакет (рис. 6.22). Такая конструкция позволяет исключить намагничивание сердечника. Намотка выполняется виток к витку: сначала вторичная обмотка — 2 — 2000 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,08...0,12 мм (в четыре слоя), затем первичная — 1 — 20 витков. Межслойную изоляцию лучше выполнять из нескольких слоев тонкой (0,1 мм) фторопластовой ленты, но подойдет также и конденсаторная бумага (ее можно достать из высоковольтных неполярных конденсаторов).
После намотки обмоток трансформатор необходимо залить эпоксидным клеем. В клей перед заливкой желательно добавить несколько капель конденсаторного масла и хорошо перемешать.
Для удобства заливки можно изготовить картонный каркас по габаритам трансфоратора, где и выполняется герметизация.
Изготовленный таким образом трансформатор обеспечивает во вторичной обмотке амплитуду напряжения более 90000 В, но включать его без защитного разрядника F1 не рекомендуется, так как при этом возможен пробой внутри катушки. Защитный разрядник выполняется из двух оголенных проводов, расположенных на расстоянии 20...24 мм (для воздуха пробойное напряжение составляет примерно 3 кВ на 1 мм зазора).
Конструкция излучателя А1 приведена на рис. 6.23. Элементы конструкции крепятся на боковых пластинах из оргстекла толщиной 5...10 мм (на рисунке не показаны). В зазоре между токопроводящими пластинами и стеклом (1 мм) образуется равномерно распределенная дуга. Ее хорошо видно при затемнении — синяя полоса и характерный запах.
Для большей эффективности работы прибора можно использовать любой вентилятор, например типа ВН-2 — он ускорит циркуляцию воздуха в рабочей зоне излучателя.
Описанное устройство создает низкую концентрацию озона, и для освежения воздуха в жилом помещении необходима его работа в течение 10...20 минут.
Рис. 6.23. Конструкция излучателя А1
Рис. 6.21 Принципиальная схема озонатора воздуха
Рис. 6.22. Каркас для намотки высоковольтного трансформатора Т1
Рис. 6.23. Конструкция излучателя А1
4. Полезный опыт
Полезный опыт
Приведенная здесь информация в основном рассчитана на тех, кто еще не успел приобрести опыт в самостоятельном изготовлении радиотехнических устройств. В этом случае возникает много вопросов, на которые и даются ответы в соответствующих статьях. А размещенные в конце справочные листы позволят при сборке приведенных схем не искать справочники — вся основная необходимая информация будет у вас под руками.
1. Изготовление печатной платы в домашних условиях
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Если вы решили собрать понравившуюся электрическую схему, а раньше этим никогда не занимались, то вам пригодятся приводимые ниже советы, а со временем, при появлении опыта, вы сможете выбрать наиболее удобную для себя методику.
Вся современная радиоаппаратура собирается на печатных платах, что позволяет повысить ее надежность, а также упростить сборку. Несложно научиться делать печатные платы своими руками, тем более что особых секретов в технологии нет.
Итак, вы выбрали нужную схему и приобрели необходимые детали. Теперь можно приступать к разводке топологии печатных проводников, учитывая реальные габариты деталей. Удобнее это делать на миллиметровой бумаге, но можно взять и обычный лист в клеточку. Рисуем контуры платы, габариты которой будут определяться с учетом размещения ее в каком-то готовом корпусе, что наиболее удобно, так как изготовление самодельного потребует много времени и не каждый сможет его сделать аккуратно и красиво.
Разводку топологии платы выполняют карандашом, отмечая места отверстий для выводов радиоэлементов и пунктиром контуры самих элементов. Линии соединения элементов выполняются в соответствии с электрической схемой по кратчайшему пути при минимальной длине соединительных проводников. Входные и выходные цепи схемы должны быть разнесены друг относительно друга по возможности дальше, что исключит наводки и самовозбуждение схем усилителей.
Наилучшее размещение элементов с первой попытки, как правило, не получается, и приходится пользоваться ластиком при изменении компоновки деталей.
После размещения всех элементов необходимо еще раз проверить соответствие топологии платы электрической схеме и устранить все выявленные ошибки (они будут).
Теперь можно приступать к изготовлению платы. Для этого из фольгированного стеклотекстолита вырезается заготовка печатной платы (ножовкой, резаком или ножницами по металлу). К заготовке закрепляем рисунок топологии (липкой лентой или пластырем). По рисунку, с помощью керна или шила, намечаются отверстия для выводов радиоэлементов и крепления платы.
Сверлим отверстия, сняв бумагу, сверлом диаметром 0,9...1,5 мм для радиоэлементов и 3...3,5 мм —для крепления платы. Иногда я сверлю плату по бумаге. Это несколько ускоряет изготовление, однако в случае необходимости рисунок топологии будет уже трудно использовать во второй раз, причем пострадают точность расположения отверстий и аккуратность исполнения.
После сверления мелкой наждачной шкуркой (нулевкой) слегка зачищаем фольгу, чтобы снять заусенцы и окисную пленку, — это ускоряет процесс травления.
Перед нанесением рисунка топологии плату нужно обезжирить техническим спиртом или ацетоном (протерев поверхность смоченной тряпкой), подойдут и многие другие растворители.
Для выполнения рисунка проводников используется любой быстро сохнущий лак, например женский лак для ногтей или мебельный (его можно подкрасить пастой от шариковой авторучки, чтобы было хорошо видно на плате). Очень удобно рисовать печатные соединения тонким водостойким маркером (не каждый тип подойдет).
Рис. 7.1
Для нанесения рисунка можно воспользоваться двумя методами:
— берется рейсфедер или перо (или маркер) и рисуются проводники от отверстия к отверстию (рис. 7.1 а) в соответствии с рисунком топологии;
— во втором методе покрывается лаком вся поверхность платы и при его подсыхании счищаются лишние участки лака при помощи скальпеля и линейки, оставляя закрашенными только токопроводящие дорожки (рис. 7.16).
Первый метод более быстрый, и чаще используется именно он, а второй иногда необходим для изготовления различных высокочастотных схем и схем с очень высокой плотностью монтажа.
После нанесения рисунка, когда лак подсохнет, топологию проводников можно подретушировать и скорректировать, аккуратно соскоблив скальпелем лишние участки лака. Затем плату помещаем в ванночку с раствором хлорного железа. Если плата двухсторонняя, чтобы заготовка не легла рисунком проводников на дно, необходимо в крепежные отверстия вставить диэлектрические клинья или любым другим способом обеспечить зазор.
Весь процесс травления займет около часа, но если вы хотите его ускорить, то раствор должен быть слегка теплым и при травлении иногда его помешивайте (время зависит и от концентрации раствора хлорного железа в воде).
После окончания травления заготовку промываем под струёй воды и отверткой соскабливаем лак с платы (его можно также растворить, например ацетоном, но это дольше и создает больше грязи).
Для удобства монтажа, проводники платы необходимо облудить припоем ПОС-61 с использованием жидкого спирто-канифольного флюса (для лучшей пайки плату можно слегка зачистить мелкой шкуркой). Прикосновения паяльника должны быть легкими и не надолгими, иначе медная фольга дорожек начнет отслаиваться.
Остатки канифоли после облуживания удаляют с платы ацетоном или спиртом.
На этом процесс изготовления печатной платы считается законченным и можно приступать к монтажу элементов на ней.
В заключение отметим, что существует способ изготовления печатной платы без использования химических реактивов. При этом зазоры между контактными дорожками выполняются резаком при помощи металлической линейки, но этот метод требует больше сил и определенных навыков, так как резак может соскочить и порезать нужные участки фольги. Поэтому этим методом обычно пользуются очень редко, когда топология очень простая, а хлорного железа нет под руками.
Хлорное железо нетрудно изготовить самостоятельно. Для этого берется соляная кислота с концентрацией около 9% (ее можно приобрести в хозяйственных магазинах) и железные опилки (или тонкие листовые кусочки). Опилки заливаем кислотой и оставляем в открытой емкости на несколько дней. Если кислота имеет низкую концентрацию, то ее берется 25 частей на 1 часть объема опилок для получения водного раствора хлорного железа сразу нужной плотности.
По окончании реакции получается светло-зеленый раствор, который, постояв еще несколько дней, становится желто-бурым.
Рис. 7.1 Изготовление печатной платы в домашних условиях
2. Особенности сборки и монтажа электрических схем
ОСОБЕННОСТИ СБОРКИ И МОНТАЖА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
В заметке невозможно рассказать обо всех особенностях данной работы, однако наиболее важные правила необходимо знать, перед тем как вы первый раз приступите к изготовлению любой радиотехнической конструкции. Это позволит сэкономить время и деньги при настройке.
Во многих схемах применяются микромощные микросхемы, изготовленные по КМОП технологии (серии 561, 1561, 564), а также полевые транзисторы. Все эти детали, пока они не установлены в плату, боятся статического электричества. На человеке оно образуется из-за трения одежды и может превышать потенциал 1000 В. Поэтому до прикосновения к этим деталям необходимо надеть заземленный браслет или хотя бы коснуться рукой металла батареи отопления. Детали, боящиеся статического электричества, должны храниться в металлической фольге или в специальных коробках. Для защиты полевых транзисторов выводы у них можно обмотать оголенным проводом, который снимается при монтаже. Монтаж этих деталей на плату лучше выполнять в последнюю очередь, после установки всех остальных деталей.
Сборку печатной платы начинают с установки элементов, требующих механического крепления. При этом приходится иногда расширять отверстия и пазы, а делать это с уже установленными деталями неудобно.
Все устанавливаемые детали не должны иметь на корпусе царапин, трещин, вмятин или каких-то других механических повреждений. Даже если такие детали и работают, то еще не значит, что это продлится долго. Детали устанавливаются так, чтобы они не касались друг друга.
Паяльник лучше использовать с заземляемым жалом, а температура жала должна быть около 270°С. Если она значительно выше, то припой на жале быстро выгорает и приобретает серый цвет, а при нормальной температуре расплавленный припой не теряет зеркального блеска, который остается и после его остывания. Такая пайка обеспечивает качественное электрическое соединение.
Для ускорения пайки используют жидкий спирто-канифольный флюс — он разрушает окисную пленку на поверхности выводов деталей. Флюс легко можно сделать самостоятельно, растворив кусок канифоли в спирте в пропорции примерно 1:10.
При пайке элементов, чтобы их не перегревать, паяльником с припоем на жале касаются выводов не более чем в течение 3 секунд. Сами элементы при этом удобно придерживать пинцетом. Для лучшей пайки выводы деталей полезно до установки на плату предварительно облудить. При установке элементов их выводы загибаются так, чтобы была видна маркировка. Это пригодится, когда будете настраивать устройство и разбираться в ошибках монтажа.
Некоторые детали (диоды, стабилитроны, электролитические конденсаторы и др.) имеют полярность, и ее необходимо соблюдать при монтаже. Наиболее легко ошибиться с установкой электролитических конденсаторов, особенно импортного производства, так как справочную информацию по ним найти трудно, а на корпусе полярность не указана.
Рис. 7.2. Схема для определения полярности электролитических конденсаторов
В этом случае удобно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 7.2, которая позволит по минимуму тока утечки конденсатора легко определить его полярность. Утечка замеряется косвенным методом по падению напряжения на резисторе R1 после окончания заряда подключенного конденсатора. Напряжение, подаваемое с блока питания, не должно превышать допустимое рабочее для конденсатора. При неправильном подключении полярности у конденсатора утечка будет в 10...100 раз больше по сравнению с правильной. Вольтметр для этих измерений необходим с большим входным сопротивлением, например В7-38А.
После окончания пайки выступающие выводы деталей укорачиваем и растворителем смываем остатки канифоли, что позволит проконтролировать качество монтажа: на плате не должно остаться капель припоя и междорожечных замыканий.
Рис. 7.2. Схема для определения полярности электролитических конденсаторов
3. Замена радиодеталей в схемах
ЗАМЕНА РАДИОДЕТАЛЕЙ В СХЕМАХ
При сборке понравившейся схемы или ремонте радиотехнических устройств иногда могут возникнуть трудности с приобретением какой-то конкретной детали. Чем ее можно заменить? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо знать основные особенности деталей и хорошо представлять принцип работы схемы, в которой эта деталь применена, что позволит оценить предельные режимы для конкретного узла.
Большинство деталей могут быть легко заменены на аналогичные, близкие по параметрам, без потери качественных характеристик устройства. Это часто объясняется тем, что разработчик схемы при выборе конкретного типа элемента часто ориентируется на перечень легко доступных ему деталей.
Наиболее просто с заменой резисторов и конденсаторов. Для постоянных резисторов основными параметрами являются: номинал сопротивления (как правило, допустимо отклонение номинала ±20%, если не оговариваются особо требования к точности), рассеиваемая мощность и температурный коэффициент. При замене резисторы можно устанавливать большей мощности, чем это указано на схеме, но они, как правило, больше по габаритам. Температурный коэффициент учитывается в точных измерительных приборах или устройствах, предназначенных для работы в широком диапазоне температур.
Переменные резисторы кроме перечисленных выше параметров имеют еще один — вид зависимости изменения сопротивления от угла поворота движка (обычно указывается в виде буквы, см. рис. 7.3). От этого параметра зависит плавность регулировки параметров. Буква А — линейная зависимость, а наиболее распространенные нелинейные зависимости — логарифмическая (Б) и обратнологарифмическая (В) — используются для регулировки громкости и тембра звука, яркости свечения индикаторов и т. д., чтобы скомпенсировать нелинейность нашего восприятия.
Рис. 7.3
Постоянные конденсаторы кроме номинальной емкости и предельно допустимого рабочего напряжения имеют еще один важный параметр — температурный коэффициент изменения емкости (ТКЕ), см. справочный листок 1. Этот параметр необходимо учитывать в схемах высокостабильных генераторов, колебательных контурах, таймерах.
Обычно в высокочастотных схемах ТКЕ указывается, но если он не оговаривается, то желательно применять конденсаторы с малым изменением емкости от температуры, например с кодами МПО, ПЗЗ, МЗЗ, М47.
Наихудшее ТКЕ имеют конденсаторы с кодом Н90 (у них емкость может изменяться до —90% при изменении температуры от -60°С до +85°С), но они, как правило, используются в цепях фильтрации по питанию или как разделительные между каскадами, где ТКЕ для работы схемы значения не имеет.
Чаще всего можно использовать при замене конденсаторы любых типов, учитывая лишь номинальную емкость и рабочее напряжение, которое должно быть не меньше, чем реально действующее в схеме.
Рис. 7.4
Электролитические полярные конденсаторы допустимо заменять неполярными, но они обычно больше по габаритам, а обратная замена недопустима (из двух полярных (рис. 7.4) можно сделать один неполярный, включив их последовательно плюс к плюсу, при этом емкость у конденсаторов должна быть в два раза больше, чем это указано на схеме). Среди доступных электролитических конденсаторов наилучшими являются танталовые и оксидно-полупроводниковые, например типа К52-1А, К53-28 и аналогичные —ими можно заменять другие типы полярных конденсаторов. В цепях фильтров по питанию допустимо применять конденсаторы большей емкости, чем это указано на схеме.
У диодов основными параметрами являются предельно допустимые прямой ток и обратное напряжение, а в некоторых узлах устройств при замене необходимо учитывать еще обратный ток (утечка диода, когда он заперт) и прямое падение напряжения. У маломощных германиевых диодов обратный ток значительно больше, чем у кремниевых, а также он в большей степени зависит от температуры. По этой причине лучше использовать в цифровых схемах кремниевые диоды, например КД521, КД522, КД509 и другие. Прямое падение напряжения у большинства германиевых диодов примерно в два раза меньше, чем у подобных кремниевых. Поэтому в цепях, где используется это напряжение для стабилизации режима работы схемы, например в некоторых оконечных усилителях звука, замена диодов на другой тип проводимости недопустима.
Для выпрямителей в блоках питания главными параметрами являются предельно допустимый прямой ток и обратное напряжение. Например, при токах до 10 А можно применять диоды Д242...Д247, КД213; для тока 1...5 А подойдут диоды серии КД202, КД213; при токе 0.5...1 А диоды КД212, КД237 или диодные мосты КЦ402...КЦ405, а при меньших токах диоды КД105, КД102, диодные сборки КЦ407А и многие другие, с соответствующим буквенным индексом, который указывает на допустимое рабочее напряжение.
В импульсных источниках питания часто применяют специальные диоды Шотки (КД222, КД2998 и др.). Они предназначены для работы на более высоких частотах (10...200 кГц), чем обычные диоды и за счет малого внутреннего сопротивления в открытом состоянии имеют меньшие потери. Обычные диоды в такой схеме будут работать с сильным перегревом и недолго.
Транзисторы при замене должны выбираться из того же класса (маломощные, средней мощности, мощные, высокочастотные и т. д.) и с параметрами не хуже, чем у примененного в схеме. Основные параметры транзисторов, учитываемые при замене: максимально допустимые напряжение эмиттер-коллектор, ток коллектора, рассеиваемая мощность коллектора, а также коэффициент усиления.
Параметры кремниевых транзисторов более стабильны при изменении температуры, чем у германиевых. Снятые с производства устаревшие типы германиевых транзисторов (например МП37, МП42) можно заменить на кремниевые (КТ315, КТ361 или лучше на КТ3102, КТ3107 и др.) аналогичной структуры (п-р-п или р-п-р).
В устройствах, где транзисторы используются в ключевых режимах, например в логических схемах и каскадах управления реле, выбор транзистора не имеет большого значения, если он аналогичной мощности и имеет близкое быстродействие и коэффициент усиления.
Рис. 7.6. Схема замены транзистора КТ848А в блоке электронного зажигания
Так, например, используемые в импульсных блоках питания телевизоров транзисторы КТ838А можно заменить на КТ839А или КТ846В.
Транзисторы с большим коэффициентом усиления КТ829А можно заменить составной схемой из двух транзисторов (рис. 7.5). А вышедший из строя транзистор КТ848А в блоке электронного зажигания легковых автомобилей заменяется приведенной на рис. 7.6 схемой (при этом повысится надежность устройства).
Микросхемы можно разделить на три условные группы — логические, аналоговые и специализированные. Специализированные микросхемы (например ЦАП 594ПА1) заменить другим типом нельзя, так как при этом потребуется изменять построение схемы. Логические микросхемы серий 155 (133) везде заменяются на более современные и экономичные из серий 555 (1533) — они потребляют в 5...10 раз меньший ток при тех же основных параметрах. При этом желательно, чтобы все окружающие цифровые микросхемы были из одной серии (это избавит устройство от сбоев в работе из-за разного быстродействия логических элементов).
Разница между сериями 555 и 1533 заключается только в конструкции корпуса, нумерация выводов сохраняется.
Наиболее широко распространенные микросхемы 561-ой серии можно заменить на серию 1561 (или 564-ую серию, но у нее другая конструкция корпуса — "планарные выводы", и потребуется делать переходную колодку для их установки или менять топологию платы).
Часто в схемах применяется компаратор К544САЗ. Его можно заменить на аналогичный К521САЗ (в пластмассовом корпусе 201.14-1) или К521СА301 (в пластмассовом корпусе 3101.8-1), возможно также применение 521САЗ (в корпусе 301.8-2), но при этом изменяется нумерация подключаемых выводов (рис. 7.7).
При необходимости замены выбор аналоговых микросхем из серии операционных усилителей (ОУ) достаточно широк, но при этом необходимо учитывать разные параметры, в зависимости от конкретной схемы, в которой они применяется. Здесь нужно по справочнику найти наиболее близкую по параметрам микросхему, а еще лучше, если удастся проконсультироваться со специалистом, имеющим опыт разработки схем, так как некоторые ОУ требуют применения внешних цепей коррекции для устойчивой работы или же имеют другие особенности применения, как правило, не отражаемые в бытовых справочниках.
Рис. 7.7. Схема включения компарато ров при однополярном питании
Рис. 7.3 Маркировка переменных резисторов
Рис. 7.4 Вариант замены электролитических полярных конденсаторов
Рис. 7.6. Схема замены транзистора КТ848А в блоке электронного зажигания
Рис. 7.7. Схема включения компарато ров при однополярном питании
4. Параллельное включение резисторов и последовательное конденсаторов
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ КОНДЕНСАТОРОВ
Таблица 7.1
|
10 |
11 |
12 |
13 |
15 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
27 |
30 |
33 |
36 |
39 |
43 |
47 |
51 |
56 |
62 |
68 |
75 |
82 |
91 |
|
|
5 |
5.2 |
5.4 |
5.6 |
6 |
6.1 |
6.4 |
6.7 |
6.9 |
7 |
7.3 |
7.5 |
7.7 |
7.8 |
7.9 |
8.1 |
8.2 |
8.4 |
8.5 |
8.6 |
8.7 |
8.8 |
8.9 |
9 |
10 |
|
5.5 |
5.7 |
5.9 |
6.3 |
6.5 |
6.8 |
7.1 |
7.3 |
7.5 |
7.8 |
8 |
8.2 |
8.4 |
8.6 |
8.7 |
8.9 |
9 |
9.2 |
9.3 |
9.5 |
9.6 |
9.7 |
9.8 |
11 |
|
|
6 |
6.2 |
6.7 |
6.8 |
7,2 |
7.5 |
7.8 |
8 |
8.3 |
86 |
88 |
9 |
97 |
94 |
95 |
97 |
99 |
10 |
10.2 |
10.3 |
10.5 |
10.6 |
12 |
||
|
6.5 |
7 |
7.1 |
7.5 |
7.9 |
8.2 |
8.4 |
8.8 |
9.1 |
9.3 |
9.5 |
9.7 |
10 |
10.2 |
10.3 |
10.5 |
10.7 |
10.9 |
11.1 |
11.2 |
11.4 |
13 |
|||
|
75 |
77 |
87 |
86 |
89 |
97 |
9.6 |
10 |
10.3 |
10.6 |
10.8 |
11.1 |
11.4 |
11.6 |
11.8 |
12.1 |
12.3 |
12.5 |
12.7 |
12.9 |
15 |
||||
|
8 |
8.5 |
8.9 |
9.3 |
9.6 |
10 |
10.4 |
10.8 |
11.1 |
11.3 |
11.7 |
11.9 |
12.2 |
12.4 |
12.7 |
12.9 |
13.2 |
13.4 |
13.6 |
16 |
|||||
|
9 |
9.5 |
9.9 |
10.3 |
10.8 |
11.2 |
11.6 |
12 |
12.3 |
12.7 |
13 |
13.3 |
13.5 |
13.9 |
14.2 |
14.5 |
14.8 |
15 |
18 |
||||||
|
10 |
105 |
109 |
11 5 |
17 |
174 |
128 |
13.2 |
13.6 |
14 |
14.4 |
14.7 |
15.1 |
15.5 |
15.8 |
16.2 |
16.4 |
20 |
|||||||
|
11 |
11.5 |
12.1 |
12.7 |
13.2 |
13.5 |
14 |
14.5 |
15 |
15.4 |
15.8 |
16.2 |
16.6 |
17 |
17.3 |
17.7 |
22 |
||||||||
|
12 |
12.6 |
13.3 |
13.9 |
14.4 |
14.8 |
15.4 |
15.9 |
16.3 |
16.8 |
17.3 |
17.7 |
18.2 |
18.6 |
19 |
24 |
|||||||||
|
13.5 |
14.2 |
14.8 |
15.4 |
15.9 |
16.4 |
17 |
17.6 |
18.2 |
18.8 |
19.3 |
19.8 |
20.3 |
20.8 |
27 |
||||||||||
|
15 |
15.7 |
16.4 |
16.9 |
17.7 |
18.3 |
18.9 |
13.5 |
20.2 |
20.8 |
21.4 |
22 |
22.6 |
30 |
|||||||||||
|
165 |
177 |
179 |
187 |
114 |
20 |
20.8 |
21.5 |
22.2 |
22.9 |
23.5 |
24.2 |
33 |
||||||||||||
|
18 |
18.7 |
19.5 |
20.4 |
21.1 |
21.8 |
22,8 |
23.5 |
24.3 |
25 |
25.8 |
36 |
|||||||||||||
|
19.5 |
20.4 |
21.3 |
22.1 |
23 |
23.9 |
24.8 |
25.6 |
26.4 |
27.3 |
39 |
||||||||||||||
|
21.5 |
22.4 |
23.3 |
24.3 |
25.4 |
26.3 |
27.3 |
28.2 |
29.2 |
43 |
|||||||||||||||
|
73 5 |
244 |
255 |
^^ |
778 |
789 |
799 |
31 |
47 |
||||||||||||||||
|
25.5 |
26.7 |
28 |
29.1 |
30.3 |
31.4 |
32.7 |
51 |
|||||||||||||||||
|
28 |
29.4 |
30.7 |
32 |
33.3 |
34.8 |
56 |
||||||||||||||||||
|
31 |
32.4 |
33.9 |
35.3 |
36.9 |
62 |
|||||||||||||||||||
|
34 |
35.7 |
37.2 |
38.9 |
68 |
||||||||||||||||||||
|
37.5 |
39.1 |
41.1 |
75 |
|||||||||||||||||||||
|
41 |
43.1 |
82 |
||||||||||||||||||||||
|
45.5 |
91 |
Cобщ=(C1·C2)/(C1+C2)
Rобщ=(R1·R2)/(R1+R2)
На практике, при изготовлении или настройке радиотехнических схем, иногда требуется иметь величины резисторов или конденсаторов, отличающиеся от широко распространенного цифрового ряда Е24.
Приобрести элементы с номиналами из рядов Е48 или Е96 (Е192) довольно сложно, да и стоимость у них значительно выше, так как при изготовлении используется подгонка номинала. Такие детали предприятия изготавливают на заказ и небольшими партиями.
В этом случае для получения нужных значений иногда приходится соединять параллельно два резистора или последовательно два конденсатора. Величина общего номинала соединенных таким способом элементов определяется приведенными на рисунке формулами, но удобней воспользоваться уже заранее рассчитанной по этим формулам таблицей 7.1.
В верхнем горизонтальном и правом вертикальном рядах находятся все числа из ряда номиналов Е24 (при необходимости эти значения можно одновременно умножать на 0,1, 10 или 100). Общая величина номинала соединений находится на пересечении вертикального и горизонтального рядов чисел. Таблицей удобно пользоваться и при обратных действиях, когда требуется по известной величине узнать, из каких стандартных значений номиналов эту величину можно получить. Так, например, если нужно сопротивление 179 кОм, его можно получить из двух параллельно включенных резисторов с номиналами 390 кОм и 330 кОм.
Паралельное подключение резисторов
Последовательное соединение конденсаторов
5. Сами ремонтируем "денди"
САМИ РЕМОНТИРУЕМ "ДЕНДИ"
Многие имеют дома игровые компьютерные приставки к телевизору семейства ДЕНДИ или аналогичные. Можно считать, что вам повезло, если ваша приставка собрана на Тайване, но чаще всего к нам в страну они попадают из Китая, где о качестве товаров не принято заботиться, с чем и связана основная масса неисправностей. Да и ребенок не всегда аккуратно обращается со своей очередной игрушкой. Не случайно сами производители не дают гарантий на срок более 6 месяцев.
При возникновении проблем каждый раз искать ремонтную мастерскую не придется, если вы умеете держать паяльник в руках и воспользуетесь моим опытом по ремонту.
Можно сразу отметить, что для ремонта видеоприставок к телевизору, как правило, не требуется электрическая схема и глубокие знания по радиоэлектронике. Достаточно и объема школьной программы.
Все наиболее часто встречающиеся неисправности можно разделить на три условные группы (они указаны в порядке вероятности возникновения). При этом подразумевается, что сам игровой картридж исправен, в чем несложно убедиться, включив его на другой приставке.
1. Компьютер включается и показывает меню игры. но не работает джойстик
Чаще всего это связано с тем, что соединительные провода от джойстика к компьютеру подключаются через разъем, а в разъеме они соединены не пайкой, а прижимом и со временем в этом месте окисляются, что нарушает электрический контакт. Сам разъем не разборный и, его конструкция не обеспечивает качественного соединения.
Убедиться в наличии контакта можно с помощью тестера, вскрыв отключенный джойстик и прозвонив цепи пяти проводов в кабеле от джойстика до разъема (рис. 7.8).
Рис. 7.8. Цвет проводов, отходящих от контактов разъема
Некоторые джойстики соединяются с игровой приставкой через контактную колодку, находящуюся внутри корпуса приставки. Обрыв одного из проводов в кабеле от джойстика до приставки в этом случае может находиться в месте частого перегиба кабеля, т. е. около корпуса игровой приставки.
Самым простым способом устранения данных неисправностей является замена кабеля или его укорочение и подпайка проводов непосредственно к соответствующим контактам разъема на печатной плате приставки.
Иногда встречаются дефекты печатных проводников (разрывы), подходящих к разъемам джойстиков. Это происходит из-за плохого механического крепления самих разъемов к печатной плате.
Другая причина неработоспособности некоторых кнопок джойстика может быть обнаружена осмотром пластмассовых вкладышей под нажимными кнопками джойстика. При наличии повреждений их нужно заменить.
Последняя причина, по которой джойстик может не работать, — это повреждение микросхемы на плате самого джойстика (она залита коричневым компаундом). В этом случае лучше купить новый джойстик, так как ремонтировать его не целесообразно.
2. Компьютер не включается
Необходимо проверить работоспособность блока питания, для чего тестером замеряем постоянное напряжение 14±2 В на контактах штекера (рис. 7.9). При измерении к контактам штекера необходимо подключить эквивалентную нагрузку (примерно 51 Ом). Если напряжение будет меньше 9 В - это признак того, что не работает один из диодов выпрямительного моста. Его потребуется заменить.
Чаще всего неисправность связана с нарушением контакта в проводе около штекера, который подключается к приставке. Провода легко проверить тестером и в случае обрыва заменить вместе со штекером. Можно обойтись и без штекера, подпаяв провода к соответствующим цепям печатной платы приставки.
3. Компьютер включается, но иногда самопроизвольно сбрасывается в процессе игры или же ведет себя другим непонятным образом
Причиной такого вида неисправности может быть некачественная пайка основной печатной платы с микросхемами внутри видеоприставки.
Рис. 7.9. Схема блока питания
Рис. 7.10. Микросхема стабилизатора напряжения, отечественные аналоги: КР142ЕН5А, КР142ЕН5В
В первую очередь необходимо осмотреть и проверить качество соединений в местах подпайки микросхемы стабилизатора напряжения питания. Эта микросхема имеет внешний вид, показанный на рис. 7.10, и на ней закреплена металлическая пластина теплоотвода. На плате, как правило, эта микросхема находится недалеко от гнезда подключения питания. Из-за отсутствия жесткого крепления теплоотвода, в месте подпайки микросхемы, иногда трескается и обрывается печатный проводник или же микросхема болтается в отверстиях — холодная пайка.
Некачественная пайка и трещины печатных проводников могут быть и в других местах платы (например около разъемов). Без увеличительного стекла такие дефекты обнаружить бывает сложно.
Для устранения подозрительных мест их нужно аккуратно пропаять маломощным (16...30 Вт) паяльником с использованием канифоли в качестве флюса. Хорошая пайка должна иметь зеркальный блеск. Остатки канифоли с платы удаляем тряпкой, смоченной в спирте или ацетоне.
Сами микросхемы и другие комплектующие используются, в основном, японского производства, имеют высокую надежность и выходят из строя крайне редко.
Рис. 7.10. Микросхема стабилизатора напряжения, отечественные аналоги: КР142ЕН5А, КР142ЕН5В
Рис. 7.8. Цвет проводов, отходящих от контактов разъема
Рис. 7.9. Схема блока питания
6. Перестройка импортных УКВ радиоприемников
ПЕРЕСТРОЙКА ИМПОРТНЫХ УКВ РАДИОПРИЕМНИКОВ
Проблема приема радиостанций отечественного УКВ диапазона на импортные радиоприемники неоднократно поднималась на страницах разных журналов. Решить ее можно четырьмя способами.
Первый способ не требует вскрытия приемника, но связан с затратами времени и средств на изготовление специального конвертора, который закрепляется на антенне или вблизи нее.
Для работы конвертора требуется периодически заменять элементы питания, что делает эксплуатацию неудобной.
Второй способ не требует больших материальных затрат и достаточно прост. Суть его состоит в перестройке гетеродинных контуров зарубежных приемников на более низкие частоты. Для этого необходимо аккуратно вскрыть корпус радиоприемника, так чтобы был открыт доступ к катушкам на монтажной плате. Найти катушку гетеродина среди многих других можно по изменению частоты приема работающего радиоприемника при поднесении к ним ферритового стержня.
Как правило, катушки УКВ тракта располагаются вблизи конденсаторов переменной емкости и выполняются бескаркасными (намотаны эмалированным проводом с диаметром намотки 4...6 мм). Катушка гетеродина содержит меньше витков (3...5), чем другие, и может быть зафиксирована парафинообразным компаундом.
Переделка состоит в замене фабричной катушки гетеродина на самодельную с большей индуктивностью. Для этого на оправке диаметром 4...5 мм наматываем виток к витку медный эмалированный провод (диаметром 0.5...1 мм). Число витков зависит от региона, где будет использоваться радиоприемник, и может в 1,5...2 раза превышать число витков ранее стоявшей катушки гетеродина.
Закончив монтаж, можно приступить к подстройке диапазона. Для этого, вращая ручку настройки приемника или ротор конденсатора переменной емкости, нужно попытаться настроиться на любую УКВ радиостанцию или станцию, передающую звуковое сопровождение телевизионного вещания. Следует знать, что отечественный диапазон УКВ ЧМ вещания находится между частотами звукового сопровождения второго (65,75 МГц) и третьего (83,75 МГц) каналов телевидения.
По контрольному радиовещательному или телевизионному приемнику можно приблизительно сориентироваться, на какую часть диапазона настроен переделанный вами приемник.
Если настроить на станции не удается, нужно постепенно увеличивать шаг намотки самодельной катушки, аккуратно растягивая ее витки пинцетом до тех пор, пока не услышим прием одной из УКВ станций.
Если и это не поможет, следует заменить катушку на другую (с немного большим +1 или меньшим -1 числом витков) и повторить вышеперечисленные операции.
После того как вам удалось настроиться на станцию УКВ диапазона, потребуется установить пределы перестройки гетеродина, увеличивая или уменьшая шаг намотки так, чтобы перекрывался весь радиовещательный УКВ диапазон — 65.8...75 МГц. Убедиться в этом можно по прослушиванию программ УКВ станций.
Увеличить чувствительность приемника можно при подстройке входного контура. Для этого достаточно аккуратно сжать витки катушки пинцетом, так чтобы намотка была виток к витку (это увеличит ее индуктивность).
По окончании настройки витки катушки нужно зафиксировать подходящим компаундом (разогретым парафином или воском). Особенно тщательно это нужно проделать в автомагнитолах, чтобы избежать паразитной частотной модуляции колебаний гетеродина при вибрациях.
Третий способ аналогичен по принципу работы с вышеизложенным, но для перестройки гетеродинного и входного контуров на более низкие частоты можно ввести внутрь катушек, удалив из них компаунд, ферритовые подстроечники (например от высокочастотных катушек бытовых радиоприемников). Перемещая подстроечник внутри катушки гетеродина, следует добиться приема какой-либо отечественной УКВ радиостанции, после чего она фиксируется компаундом. После этого подстроечным конденсатором гетеродинного контура (где он расположен, можно найти, проследив по печатным проводникам, идущим от катушки гетеродина) нужно установить границы диапазона по стандартному УКВ приемнику. Окончательную подстройку завершают, настроив приемник на какую-либо радиостанцию, частота которой находится в центре шкалы настройки. Перемещая ферритовый подстроечник внутри катушки входного контура, добиваемся наилучшего приема звука.
По окончании настройки катушки совместно с сердечниками фиксируются компаундом.
Четвертый способ заключается в изменении резонансной частоты гетеродинного контура путем подпайки параллельно катушке дополнительного конденсатора постоянной емкости с номиналом примерно 30...51 пф. Величина ее подбирается экспериментально по изменению принимаемого диапазона. Вторая катушка — входного контура — настраивается по наилучшему приему вещательной станции подбором конденсатора в контуре. Этот метод наименее трудоемок по сравнению с остальными.
Такая перестройка потребует всего 20...30 минут, но следует отметить, что предлагаемые методики переделки обеспечивают прием УКВ станций только в монофоническом режиме. По этой причине лучше все же приобретать радиоприемник с имеющимся отечественным УКВ диапазоном.
7. Определение параметров коаксиального кабеля
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ
Одним из основных параметров высокочастотного кабеля является волновое сопротивление. Обычным омметром его не измерить — для этого нужен специальный прибор. Сам кабель (отечественного производства) не имеет маркировки и если вы не знаете его тип, то, воспользовавшись штангенциркулем, легко сможете определить волновое сопротивление с помощью несложных вычислений.
Для этого нужно снять внешнюю защитную оболочку с конца кабеля, завернуть оплетку и измерить диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции. Затем снять изоляцию и измерить диаметр центральной жилы. После этого результат первого измерения разделим на результат второго: при полученном отношении примерно 3,3...3,7 волновое сопротивление кабеля составит 50 Ом, при отношении 6,5...6,9 — составляет 75 Ом.
Вторым важным параметром является удельное затухание. Эта величина характеризует потери уровня сигнала при его прохождении через один метр кабеля и позволяет сравнивать кабели разных марок.
Затухание тем больше, чем больше длина кабеля и чем больше частота сигнала. Удельное затухание измеряется в децибелах на метр (дБ/м) и приводится в справочниках в виде таблиц или графиков.
Рис. 7.11. Удельное затухание коаксиальных кабелей
На рис. 7.11 приведены зависимости удельного затухания коаксиальных кабелей разных марок от частоты. Пользуясь ими, можно подсчитать затухание сигнала в кабеле, при известной его длине, на любой частоте.
Обозначение коаксиального кабеля состоит из букв и трех чисел: буквы РК обозначают радиочастотный коаксиальный кабель, первое число показывает волновое сопротивление кабеля в омах, второе — округленный внутренний диаметр оплетки в миллиметрах, третье — номер разработки. Из графика видно, что удельное затухание зависит от толщины кабеля: чем он толще, тем удельное затухание меньше.
Зная длину кабеля, воспользовавшись таблицей 7.2, можно перевести затухание из децибелов в относительное ослабление уровня сигнала на выходе.
Таблица 7.2
|
ДБ |
0,5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Рвых/ Рвх |
0,94 |
0,79 |
0,63 |
0,5 |
0,4 |
0,32 |
0,25 |
0,2 |
0,16 |
0,13 |
0,1 |
Для практического определения волнового сопротивления любой неизвестной линии передачи, от коаксиального кабеля до пары скрученных проводов, можно также воспользоваться измерителем индуктивности и емкости.
Волновое сопротивление линии с малыми потерями определяется по формуле:
, где
Z — волновое сопротивление (Ом); L — индуктивность закороченной линии (Гн); С — емкость разомкнутой линии (Ф).
Для расчета необходимо выполнить измерение индуктивности закороченного куска линии длиной 1...5 м, а затем измерить емкость разомкнутого на конце куска. При меньшей или большей длине отрезка линии погрешность измерения увеличивается.
Например, волновое сопротивление сетевых шнуров питания лежит в пределах 30...60 Ом, большинства экранированных микрофонных шнуров — 40...70 Ом, телефонной пары — 70...100 Ом.
Рис. 7.11. Удельное затухание коаксиальных кабелей
Ф.1 Волновое сопротивление линии с малыми потерями
8. Простая антенна для дачи
ПРОСТАЯ АНТЕННА ДЛЯ ДАЧИ
Многие проводят свой отпуск летом на даче. Городскому жителю трудно долго обходиться без привычного телевизора. Для некоторых он стал уже членом семьи.
Для качественной работы телевизора необходима направленная согласованная антенна на нужный диапазон частот. В некоторых местах пригорода стоят ретрансляторы и, имея направленную антенну, можно выбрать, от какого источника лучше принимать сигнал (он будет идти на разных частотах). Направленная антенна также снижает уровень помех на входе телевизора при приеме сигнала.
От выбора типа антенны и аккуратности ее изготовления зависит уровень входного сигнала телевизора, а это определяет качество изображения, его контрастность, наличие цвета. Для того чтобы максимум мощности принятого антенной сигнала был направлен в кабель и поступил на вход телевизора — необходимо, чтобы волновое входное сопротивление антенны было согласовано с кабелем.
К сожалению, комнатные и наружные антенны типа "волновой канал" нуждаются в настройке по приборам, и поэтому их изготовление в домашних условиях не рекомендуется, хотя они и являются наиболее эффективными.
Конструкция простейшей телевизионной антенны в виде петлевого вибратора приведена на рис. 7.12.
Рис. 7.12. Вариант конструкции антенны
Эта антенна является достаточно широкополосной, чтобы принимать сразу несколько каналов, но в зависимости от номеров принимаемых каналов размеры у нее должны быть разные. Это связано с тем, что телевизионные частоты между 1...5 и 6...12 каналами имеют окно и получается большая разница по частоте между поддиапазонами (49... 100 МГц и 175...227 МГц), что затрудняет ее согласование.
Антенна выполняется из медной ленты, трубки или другого металлического профиля. При этом надо учитывать, что высокочастотные токи распространяются в тонком слое поверхности металла. Поэтому не имеет значения, взята трубка или брусок для изготовления антенны, — важен только наружный диаметр. Так, если для антенны используется металлическая полоса, ее ширина берется примерно в 1,5 раза больше рекомендуемого диаметра, а уголок — того же размера, что и диаметр.
Телевизионная антенна может выполняться из любого металла: меди, латуни, бронзы, стали, алюминия и др., а поверхность ее должна быть ровной и гладкой. Стальная антенна получится тяжелой, а также будет ржаветь, что ухудшит ее параметры. Наиболее часто промышленностью изготавливаются антенны из алюминиевых сплавов, но у них на поверхности образуется окисная плохопроводящая пленка и по своим электрическим параметрам они уступают медным и латунным.
Места подключения коаксиального кабеля к элементам антенны нужно герметизировать для защиты от влаги. Лучше для этих целей подойдут пластифицированные эпоксидные смолы.
Во избежание коррозии антенну после сборки и подключения кабеля окрашивают в несколько слоев, предварительно обезжирив поверхность. При этом могут использоваться краски с хорошими диэлектрическими свойствами и способностью противостоять климатическим воздействиям, например автомобильную эмаль, нитроэмали, а в крайнем случае подойдут и масляные краски.
Для согласования 292-Омного волнового сопротивления самой антенны с 75-Омным кабелем служит шлейф. Волновое сопротивление и обычное не следует путать — его можно замерить только специальными высокочастотными приборами. Использовать вместо 75-Омного кабеля 50-Омный недопустимо, так v.ay. это может привести к появлению ряби и повторов на экране, что значительно ухудшит качество изображения.
Определить, какое волновое сопротивление имеет ваш кабель, можно по его размерам, воспользовавшись рекомендациями, приведенными в предыдущей статье.
Возникшие на экране повторы могут быть вызваны не только отражением сигнала в кабеле из-за плохого согласования, но и из-за того, что он отражается от высоких зданий или сооружений и приходит на вход антенны с небольшой задержкой относительно основного сигнала. В этом случае направление антенны можно изменить так, чтобы при очень незначительном ухудшении основного изображения пропал отраженный сигнал, — антенна ориентируется не на максимум сигнала, а на минимум отраженной помехи.
Рис. 7.13. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости
Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости приведена на рис. 7.13, и на ее форму могут оказывать влияние близко расположенные токопроводящие предметы. Поэтому вблизи антенны (1,5 м) их присутствие нежелательно.
Для тех, кто хочет получить более глубокие знания по видам, типам и особенностям наиболее известных телевизионных антенн, можно порекомендовать познакомиться с книгой Никитина В. А. "Как сделать телевизионную антенну" (М.; МП Символ, 1994).
Рис. 7.12. Вариант конструкции антенны
Рис. 7.13. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости
9. Как правильно выбрать провода для электропроводки и изготовить плавкий предохранитель
КАК ПРАВИЛЬНО ВЫБРАТЬ ПРОВОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ И ИЗГОТОВИТЬ ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ
Если вам необходимо выполнить электрическую проводку в квартире на даче или в гараже, а это имущество не застраховано от пожара, то приводимые в данной статье сведения помогут уберечься от всяких неожиданностей, связанных с электрической сетью.
Для правильного выбора сечения провода необходимо учитывать величину максимально потребляемого нагрузкой тока. Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формулам 1=Р/220 (например, для электрообогревателя мощностью 2000 Вт ток составит 9 А, для 60 Вт лампочки — 0,3 А). Зная суммарный ток всех потребителей и учитывая соотношения допустимой для провода токовой нагрузки (открытой проводки) на сечение провода:
- для медного провода 10 ампер на миллиметр квадратный,
- для алюминиевого 8 ампер на миллиметр квадратный, можно определить, подойдет ли имеющийся у вас провод или же необходимо покупать другой. При выборе типа провода нужно также учитывать допустимое напряжение пробоя изоляции (нельзя для электрической проводки на сетевое напряжение 220 В использовать провода от телефонной линии).
При выполнении скрытой проводки (в трубке или же в стене) приведенные значения уменьшаются умножением на поправочный коэффициент 0,8.
Следует отметить, что открытая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 кв. мм из расчета достаточной механической прочности.
Приведенные выше соотношения легко запоминаются и обеспечивают достаточную точность для бытового использования проводов. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться таблицей 7.3.
Таблица 7.3
|
Сечение,кв. мм |
1,5 |
2.5 |
4 |
6 |
10 |
16 |
25 |
35 |
50 |
|
Ток, А |
17 |
25 |
35 |
42 |
60 |
80 |
100 |
125 |
170 |
При разведении цепей на вводе обязательно устанавливается общий выключатель и предохранители (плавкие вставки или электромеханические автоматы). Наиболее широко распространены в бытовых сетях плавкие предохранители, но при перегорании (в случае перегрузки цепи) возникают проблемы с их приобретением.
Некоторые смелые люди выходят из затруднения временной заменой предохранителя на гвоздь или же выполняя из любого попавшего под руку провода перемычку. Со временем это забывается, а, как известно из народного опыта — нет ничего более постоянного, чем временное. В этом случае, при перегрузке, может загореться проводка.
Чтобы этого не случилось, удобно воспользоваться упрощенной формулой, которая позволит правильно изготовить плавкий предохранитель на любой ток с достаточной точностью.
Для одножильного медного провода ток защиты предохранителя определяется по упрощенной формуле:
,где d — диаметр провода в миллиметрах.
В таблице 7.4 приведены результаты расчетов для некоторых часто используемых проводов.
Таблица 7.4
|
d, мм |
0,06 |
0,09 |
0,1 |
0,12 |
0,2 |
0,25 |
0,3 |
0,5 |
1,0 |
|
Inp, A |
1,76 |
2,16 |
2,53 |
3,32 |
7,16 |
10 |
13 |
28,3 |
80 |
Для изготовления предохранителя провод нужного диаметра можно взять из многожильных монтажных проводов, аккуратно сняв изоляцию.
Ф.1 Определение тока защиты предохранителя для одножильного медного провода
10. Видимый ночью включатель
ВИДИМЫЙ НОЧЬЮ ВКЛЮЧАТЕЛЬ
Простая доработка широко применяемых бытовых включателей света позволит быстро находить их в полной темноте по светящемуся сектору клавиши (рис. 7.14). Днем же подсветка видна не будет и не привлечет внимания.
Рис. 7.14
Рис. 7.15
Для выполнения подсветки используется неоновая лампочка типа ТЛ, включенная последовательно с резистором 150...200 кОм в разрыв контактов включателя (рис. 7.15). Неоновый индикатор будет светиться, только когда освещение не включено.
Для монтажа применяем толстый (диаметром 1...1,5 мм) одножильный медный провод, что позволит использовать его и как элемент крепления узла подсветки к контактным зажимам соответствующей группы контактов включателя.
Чтобы подсветка была однородной и красивой, часть клавиши нужно с внутренней стороны поверхности заклеить светонепроницаемым материалом (например металлической фольгой).
Неоновые лампочки подойдут и другие, при этом подсветка может иметь разные цвета, что зависит от типа примененного неонового индикатора HL1. Так, если взять ТЛЗ-1-1, то будет зеленоватая подсветка, ТЛО-1-1 — оранжевая, ТЛГ-1-1 — голубая.
Существует и второй путь, позволяющий сделать видимым ночью место расположения включателя. На рис. 7.16 приведена схема для включения индикаторного светодиода. Но при этом потребуется выполнить отверстие в корпусе включателя для закрепления светодиода. Да и элементов она содержит больше.
Рис. 7.16
Применяемые детали подойдут любого типа, малогабаритные.
Обе схемы работают только при выключенном положении включателя SA1 и наличии исправной осветительной лампы. Осветительная лампа может быть любой мощности.
Мощность, потребляемая индикаторами, при работе подсветки, не более 0,37 Вт (у схемы с "неонкой" она еще меньше), что будет незаметно при месячной оплате электроэнергии.
Рис. 7.14 Внейшний вид устройства
Рис. 7.15 Принципиальная схема
Рис. 7.16 Принципиальная схема для включения индикаторного светодиода
11. Методика расчета сетевого трансформатора
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СЕТЕВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Целью расчета является получение заданных выходных параметров трансформатора (для сети с частотой 50 Гц) при его минимальных габаритах и массе.
Расчет трансформатора целесообразно начать с выбора магнитопровода, т. е. определения его конфигурации и геометрических размеров.
Наиболее широко распространены три вида конструкции магнитопроводов, приведенные на рис. 7.17.
Рис. 7.17. Конструкции магнитопроводов трансформаторов: а) броневого пластинчатого; б) броневого ленточного; в) кольцевого ленточного
Для малых мощностей, от единиц до десятков Вт, наиболее удобны броневые трансформаторы. Они имеют один каркас с обмотками и просты в изготовлении.
Трансформатор с кольцевым сердечником (торроидальный) может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным. Имея некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов, торроидальные являются вместе с тем и наименее технологичными (удобными) в изготовлении.
Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:
— напряжение первичной обмотки Ui;
— напряжение вторичной обмотки Uz;
— ток вторичной обмотки l2;
— мощность вторичной обмотки Р2 =I2 * U2 = Рвых
Если обмоток много, то мощность, отдаваемая трансформатором, определяется суммой всех мощностей вторичных обмоток (Рвых).
РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
Размеры магнитопровода выбранной конструкции, необходимые для получения от трансформаторов заданной мощности, могут быть найдены на основании выражения:
,где:
Sст— сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки;
Sок — площадь окна в магнитопроводе;
Вмах— магнитная индукция, см. табл. 7.5;
J — плотность тока, см. табл. 7.6;
Кок — коэффициент заполнения окна, см. табл. 7.7;
Кст — коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл. 7.8;
Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц 7.5 и 7.6.
Таблица 7.5
|
Конструкция магнитопровода |
Магнитная индукция Вмах, [Тл] при Рвых, [Вт] |
||||
|
5—15 |
15—50 |
50—150 |
150—300 |
300—1000 |
|
|
Броневая (пластинчатая) |
1,1—1,3 |
1,3 |
1,3—1,35 |
1,35 |
1,35—1,2 |
|
Броневая (ленточная) |
1,55 |
1,65 |
1,65 |
1,65 |
1,65 |
|
Кольцевая |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
1,65 |
1,6 |
Таблица 7.6
|
Конструкция магнитопровода |
Плотность тока J, [а/мм кв.] при Рвых, [Вт] |
||||
|
5—15 |
15—50 |
50—150 |
150—300 |
300—1000 |
|
|
Броневая (пластинчатая) |
3,9—3,0 |
3,0—2,4 |
2,4—2,0 |
2,0—1,7 |
1,7—1,4 |
|
Броневая (ленточная) |
3,8—3,5 |
3,5—2,7 |
2,7—2,4 |
2,4—2,3 |
2,3—1,8 |
|
Кольцевая |
5—4,5 |
4,5—3,5 |
3,5 |
3,0 |
|
Коэффициент заполнения окна Кок приведен в таблице 7.7 для обмоток, выполненных проводом круглого сечения с эмалевой изоляцией.
Коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью Кст зависит от толщины стали, конструкции магнитопровода (пластинчатая, ленточная) и способа изоляции пластин или лент друг от друга. Величина коэффициента Кст для наиболее часто используемой толщины пластин может быть найдена из таблицы 7.8
Таблица 7.7
|
Конструкция магнитопровода |
Рабочее напряж. [В] |
Коэффициент заполнения окна Кок при Рвых, [Вт] |
||||
|
5-15 |
15-50 |
50-150 |
150-300 |
300-1000 |
||
|
Броневая (пластинчатая) |
до 100 |
0,22-0,29 |
0,29-0,30 |
0,30-0,32 |
0,32-0,34 |
0,34-0,38 |
|
100-1000 |
0,19-0,25 |
0,25-0,26 |
0,26-0,27 |
0,27-0,30 |
0,30-0,33 |
|
|
Броневая (ленточная) |
до 100 |
0,15-0,27 |
0,27-0,29 |
0,29-0,32 |
0,32-0,34 |
0,34-0,38 |
|
100-1000 |
0,13-0,23 |
0,23-0,26 |
0,26-0,27 |
0,27-0,30 |
0,30-0,33 |
|
|
Кольцевая |
0,18-0,20 |
0,20-0,26 |
0,26-0,27 |
0,27-0,28 |
||
Таблица 7.8
|
Конструкция магнитопровода |
Коэффициент заполнения Кст п |
ри толщине стали, мм |
|||
|
0,08 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,35 |
|
|
Броневая (пластинчатая) |
- |
0,7(0,75) |
- |
0,85 (0,89) |
0,9 (0,95) |
|
Броневая (ленточная) |
0,87 |
- |
0,90 |
0,91 |
0,93 |
|
Кольцевая |
0,85 |
0,88 |
|||
ПРИМЕЧАНИЕ:
1. Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.
2. Коэффициент заполнения для ленточных магнитопроводов указаны при изготовлении их методом штамповки и гибки ленты.
Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.
Величину номинального тока первичной обмотки находим по формуле:
,где величина h и COS j трансформатора, входящие в выражение, зависят от мощности трансформатора и могут быть ориентировочно определены по таблице 7.9.
Таблица 7.9
|
Величина |
Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт] |
||||
|
2—15 |
15—50 |
50—150 |
150—300 |
300—1000 |
|
|
h броневой ленточный |
0,5-0,6
|
0,6—0,8 |
0,8—0,9 |
0,90—0,93 |
0,93—0,95 |
|
0,76—8,88 |
0,88—0,92 |
0,92—0,95 |
0,95—0,96 |
||
|
COS j |
0,85—0,90 |
0,90—0,93 |
0,93—0,95 |
0,95—0,93 |
0,93—0,94 |
Токи вторичных обмоток обычно заданы. Теперь можно определить диаметр проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции. Сечение провода в обмотке: Snp = I/J, диаметр
Определяем число витков в обмотках трансформатора:
,где n — номер обмотки,
аU — падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицы 7.10 и 7.11. Следует отметить, что данные для —U, приведенные в таблице 7.10, для многообмоточных трансформаторов требуют уточнения. Рекомендуется принимать значения аU для обмоток, расположенных непосредственно на первичной обмотке на 10...20% меньше, а для наружных обмоток на 10...20% больше указанных в таблице.
В торроидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами. Это следует учитывать при определении числа витков обмоток — значения аU берутся из таблицы 7.11.
Таблица 7.10
|
Конструкция броневая, величина аU |
Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, Вт |
||||
|
5—15 |
15—50 |
50—150 |
150—300 |
300—1000 |
|
|
аU1 |
20—13 |
13—6 |
6—4.5 |
4,5—3 |
3—1 |
|
аU2 |
25—18 |
18—10 |
10—8 |
8—6 |
6—2 |
Таблица 7.11
|
Конструкция кольцевая, величина OU |
Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, Вт |
||||
|
8-25 |
25-60 |
60-125 |
125-250 |
250—600 |
|
|
OU1 |
7 |
6 |
5 |
3,5 |
2,5 |
|
OU2 |
7 |
6 |
5 |
3.5 |
2.5 |
ПРИМЕР РАСЧЕТА СЕТЕВОГО ТОРРОИДАЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Исходные данные:
Входное напряжение U1 = 220 В
Выходное напряжение U2 = 22 В
Максимальный ток нагрузки I2 = 10 А
Мощность вторичной цепи определяем из формулы:
P2 = U2 * l2 =220 Вт
Имеется кольцевой ленточный магнитопровод с размерами: в = 4 см, с = 7,5 см, а = 2 см (рис. 7.17в).
Sок =pЧR2 =3,14Ч3,752 =44,1 кв. см ; Sст =аЧв=2Ч4 =8 кв. см
Воспользовавшись формулой мощности и таблицами, определяем, какую максимальную мощность можно снять сданного магнитопровода:
Расчетная величина превышает необходимую по исходным данным (Р2 = 220 Вт), что позволяет применить данный магнитопровод для намотки нужного трансформатора, но если требуются минимальные габариты трансформатора, то железо магнитопровода можно взять меньших размеров (или снять часть ленты), в соответствии с расчетом.
Номинальный ток первичной обмотки:
Сечение провода в обмотках:
Диаметр провода в обмотках:
Выбираем ближайшие диаметры провода из ряда стандартных размеров, выпускаемых промышленностью, — 0,64 и 2 мм, типа ПЭВ или ПЭЛ.
Число витков в обмотках трансформатора:
Рис. 7.17. Конструкции магнитопроводов трансформаторов
Ф.1 Размеры магнитопровода выбранной конструкции, необходимые для получения от трансформаторов заданной мощности
Ф.2 Определение величины номинального тока первичной обмотки
Ф.3 Определение диаметра провода по его сечению
Ф.4 Определение числа витков в обмотках трансформатора
Ф.5 Определение максимальной мощности снимаемой с магнитопровода
Ф.6 Номинальный ток первичной обмотки
Ф.7 Сечение провода в обмотках
Ф.8 Диаметр провода в обмотках
Ф.9 Число витков в обмотках трансформатора
12. Электробезопасность при выполнении работ
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ
Основы безопасности при работе с напряжением более 36 В должен знать каждый. Жизнь слишком ценный подарок природы, чтобы ее терять из-за невнимательности или неаккуратности.
Электрический ток более 50 мА, проходящий через человека, представляет опасность для здоровья и жизни. Поэтому для безопасного выполнения работ необходимо помнить и выполнять основные правила:
1. Руки должны быть чистыми и сухими, так как величина тока, проходящего через человека, зависит от состояния кожи, а также площади соприкосновения с токоведущими частями (грязь и влага ее увеличивают).
2. Нельзя лезть в блок сразу двумя руками или одной рукой при этом касаться токопроводящей поверхности (металлического корпуса устройства), так как степень поражения электрическим током зависит от пути его прохождения. Наиболее опасным является путь тока от руки к руке — через область сердца и легких.
3. Ремонт с заменой деталей необходимо выполнять при отключении питания устройства от сети 220 В. Для полной уверенности в этом лучше вытащить сетевую вилку из розетки (выключатель может сломаться в самый неожиданный момент).
4. После выключения питания конденсаторы в устройстве могут еще некоторое время сохранять заряд, который вы получите при случайном касании цепей. Для исключения такой возможности выводы высоковольтных конденсаторов закорачиваются через резистор примерно 100 Ом (закорачивание выводов короткозамыкающей перемычкой может их повредить).
Это правило особенно хорошо запоминается, после того как разряд высоковольтного конденсатора почувствуешь на себе.
5. При первоначальном включении устройства следует соблюдать осторожность, так как диоды и электролитические конденсаторы при неправильном включении полярности или превышении режимов могут взорваться. При этом конденсаторы взрываются не сразу, а сначала некоторое время греются.
6. Не рекомендуется оставлять без присмотра включенные и еще не настроенные устройства — это может вызвать пожар.
7. Безопасным для человека в обычных условиях является источник тока с напряжением до 36 В, поэтому для монтажа элементов лучше использовать паяльник с рабочим напряжением, не превышающим это значение.
8. При работе с паяльником нельзя стряхивать с жала остатки расплавленного припоя: его брызги могут попасть в глаза или на тело и вызвать травму. Осторожность необходима и при вытаскивании выводов элементов при отпайке.
Паяльник должен иметь подставку, которая исключает случайное касание горячих частей руками, а также скатывание его на стол.
9. При длительной работе с паяльником воздух в комнате насыщается вредными для организма парами свинца и олова. Поэтому помещение следует регулярно проветривать.
Если же вы все же по неосторожности попали под напряжение или стали свидетелем такого случая, то надо как можно скорее освободиться от контакта с токоведущим проводником, любым способом разомкнув цепь. Последствия поражения зависят от времени нахождения человека под напряжением.
Особо внимательным надо быть при настройке схем, не имеющих электрической развязки от сети 220 В (не имеющих понижающих напряжение трансформаторов). В этом случае подключение измерительных приборов лучше выполнять при отключенной схеме.
Обо всех опасностях невозможно рассказать в пределах данной статьи, поэтому будьте внимательны и осторожны при работах с электричеством.
13. Рекомендуемая литература
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Небольшой путеводитель в мире книг поможет выбрать для.чтения наиболее удачные, по моему мнению, издания радиотехнической литературы по интересующим вас разделам радиоэлектроники. Список не претендует на полноту, но по крайней мере, эта техническая литература содержит много информации для практического использования. Кроме того, изложена она в легко доступном для понимания виде.
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах. Пер. с англ. —4-е изд. перераб. и доп. — М.: Мир, 1993.
Работа известных американских специалистов посвящена быстро развивающимся областям электроники. В ней приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры. Внимание читателей сосредотачивается на особенностях проектирования и применения электронных схем.
Том 1 содержит сведения об элементах схем, транзисторах, операционных усилителях, активных фильтрах, источниках питания, полевых транзисторах.
Том 2 содержит сведения о прецизионных схемах и малошумящей аппаратуре, о цифровых схемах, о преобразователях информации, мини- и микроЭВМ и микропроцессорах.
Том 3 содержит сведения о микропроцессорах, радиотехнических схемах, методах измерения и обработки сигналов, принципах конструирования аппаратуры и проектирования маломощных устройств.
2. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС. — М.: Сов. радио, 1980.
Книга посвящена теоретическим и практическим особенностям применения прецизионных аналоговых ИС: операционных усилителей, компараторов и перемножителей напряжения, составляющих основу аналоговой элементной базы современной микроэлектронной аппаратуры. Подробно изложены методы улучшения основных параметров и характеристик этих элементов при решении нетрадиционных задач.
3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.
В книге известного американского специалиста рассмотрены методы построения и расчета электронных устройств с применением интегральных микросхем операционных усилителей, линейных и импульсных стабилизаторов напряжения, преобразователей данных, а также токоразностных и измерительных усилителей. Содержит много практических примеров.
4. Кизлюк А. И. Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства. — М.:
БИБЛИОН, 1995.
В книге подробно описан принцип работы всех узлов современных телефонных аппаратов. Приведены практические схемы и полезные рекомендации для ремонта. Содержится также справочная информация по импортным и отечественным элементам.
5. Никитин В. А. Как сделать телевизионную антенну. — М.: МП
"Символ-Р", 1994.
Автор брошюры накопил большой опыт по устройствам и использованию различных телевизионных антенн метрового и дециметрового диапазонов в условиях ближнего, дальнего и сверхдальнего приема, которым делится с читателем.
Рассмотрены условия приема, конструкции различных антенн, их преимущества и недостатки, целесообразность применения в конкретных условиях.
6. Ланцов А. Л., Зворыкин Л. Н., Осипов И. Н. Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах. — М.: Радио и связь, 1983.
В книге рассматриваются особенности применения микросхем, изготовленных по МОП технологии, серий: К176, К561, 564. Содержится справочная информация по работе этих микросхем.
7. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП интегральных микросхемах. — М.: Радио и связь, 1990.
Описаны принципы использования интегральных микросхем серий К176 и К561, приведены описания формирователей и генераторов импульсов, квазисенсорных переключателей, измерительных схем, а также различных других устройств с использованием МОП интегральных микросхем.
8. Белопольский И. И. и др. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. Изд. 2-е, перераб и доп. — М.: Энергия, 1973.
В книге рассмотрены основы теории, конструкции и методы расчета трансформаторов и дросселей малой мощности, применяемых в устройствах электропитания радиоаппаратуры.
7. Цифровые измерительные устройства
Цифровые измерительные устройства.
1. Микросхема КР572ПВ5.
МИКРОСХЕМА КР572ПВ5
Ядром описываемых в этом разделе цифровых измерительных приборов являются микросхема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) КР572ПВ5 и жидкокристаллический индикатор ИЖЦ5-4/8. Для того, чтобы хорошо понимать работу этих приборов, необходимо знать, как работает микросхема АЦП.
Микросхема КР572ПВ5 [1] изготовляется по технологии КМОП. Она содержит (рис. 1) электронные ключи А1 - All, буферный операционный усилитель DA1, работающий в режиме повторителя, операционный усилитель DA2 - интегратор, компаратор DA3 и цифровую часть, состоящую из тактового генератора G, логического устройства DD1, счетчика СТ, регистра памяти RG и выходного дешифратора DC. Ключи А1 - All включаются в определенной последовательности логическим устройством DD1, работающим совместно со счетчиком СТ.
Типовая схема включения микросхемы, ее соединение с индикатором ИЖЦ5-4/8 и микросхемой "Исключающее ИЛИ", необходи-
мой для управления десятичными запятыми индикатора, приведены на рис. 2.
Устройство работает по принципу двойного интегрирования, широко применяемому в цифровых измерительных приборах. Идея метода двойного интегрирования состоит в том, что вначале интегрирующий конденсатор заряжают строго определенное время током, пропорциональным измеряемому напряжению, затем разряжают строго определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разряд конденсатора, получается пропорциональным измеряемому напряжению. Это время измеряется при помощи счетчика, выходные сигналы которого подаются на индикатор.
Рассмотрим работу микросхемы более подробно. На выводы 30 и 31 микросхемы (рис. 1) подается измеряемое напряжение Uвx, на выводы 36 и 35 - образцовое Uo6p.
Цикл измерения (рис. 3) состоит из трех фаз: интегрирования сигнала (ИНТ), разряда интегрирующего конденсатора (РИ) и автоматической коррекции нуля (АК). Каждой фазе соответствует определенная коммутация элементов микросхемы, выполняемая
при помощи ключей на МОП-транзисторах А1 - All. На рис. 1 надписи у ключей обозначают фазу, в течение которой ключ замкнут.
Длительность фазы пропорциональна периоду тактовой частоты и точно задается счетчиком СТ.
В течение фазы ИНТ, длящейся 4000 периодов Т тактовой частоты, входной сигнал через ключи А1, А2 и буферный усилитель DA1 подается на вход интегратора DA2. Это вызывает на конденсаторе Синт накопление заряда, пропорционального по величине и соответствующего по знаку приложенному входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора DA2 изменяется с постоянной скоростью, пропорциональной входному сигналу. Предположим, что к моменту начала фазы ИНТ заряды на конденсаторах Синт и Сак, и напряжения смещения нуля DA1 - DA3 равны нулю. Так как входной ток интегратора DA2 мал, изменение заряда на конденсаторе Сак не происходит, и он фактически не оказывает влияния на процесс интегрирования. Конденсатор Собр заряжен от источника образцового напряжения до величины Uo6p. В конце фазы ИНТ с помощью компаратора DA3 определяется знак входного напряжения по знаку напряжения на выходе интегратора DA2. Чувствительность компаратора DA3 такова, что обеспечивает правильное определение полярности входного сигнала, даже если сигнал составляет долю единицы отсчета.
При работе микросхемы в фазе РИ входной сигнал на интегратор DA2 не подается, к интегратору DA2 через ключи А7, А8 или А6, А9 подключается конденсатор Собр, заряженный до образцового напряжения и ориентированный по полярности таким образом, чтобы происходил разряд Синт- Разряд длится до тех пор, пока конденсатор Синт не разрядится полностью, т.е. напряжение на выходе DA2 не станет равным нулю. В этот момент подключенный параллельно конденсатору Синт компаратор DA3 срабатывает и прекращает фазу РИ. Заряд конденсаторов Собр и Сак практически не изменяется. Время разряда конденсатора Синт, выраженное числом периодов тактовых импульсов, и есть результат измерения, записанный в счетчике СТ. Состояние счетчика переписывается в регистр RG, а
затем преобразуется в сигналы семисегментного кода, которые поступают на индикатор.
При знаке напряжения на входах Uвx, противоположном указанному на рис. 1 и 2, сегмент G1 индицирует знак "минус". При перегрузке на индикаторе остается лишь цифра 1 в старшем разряде и знак "минус" (для отрицательного напряжения).
Фаза АК начинается с прекращения работы счетчика, когда логическое устройство DD1 включает ключи A3, А4 и All. Образовавшаяся при этом следящая система обеспечивает заряд конденсаторов Снят и Сан до напряжения, компенсирующего смещение нуля DA1 - DA3. Оно остается неизменным в течение последующих фаз ИНТ и РИ. В результате приведенная ко входу погрешность из-за смещения нуля и его температурного дрейфа не превышает 10 мкВ.
В состав микросхемы входит тактовый генератор. Частота следования era импульсов определяется внешними элементами Rг и Сг. Для подавления сетевых помех с частотами, кратными 50 Гц, частота повторения импульсов должна быть выбрана такой, чтобы во время интегрирования, равное 4000 периодам тактового генератора Т, укладывалось целое число К периодов сетевого напряжения, равных 20 мс.
Таким образом, 4000Т = 20К мс, где К = 1, 2, 3 и т.д. Отсюда, fг=l/T=200/K кГц, т.е. 200, 100, 67, 50, 40 кГц, меньшие частоты обычно не используют. Номиналы частотозадающих цепей тактового генератора рассчитываются по формуле Cг=0,45/(fгRг). Для повышения стабильности частоты между выводами 39 и 40 может быть включен кварцевый резонатор (при этом элементы R.г и Сг не подключают). При работе микросхемы от внешнего генератора тактовые импульсы подают на вывод 40, выводы 38 и 39 при этом оставляют свободными.
Диапазон входных напряжений микросхемы зависит от образцового напряжения Uo6p и определяется соотношением Uвхмакс =±1,999 Uo6p. Текущие показания индикаторов должны выражаться числом, равным 1000Uвх/Uобр, однако на практике они ниже на 0,1...0,2%.
Период измерений при частоте тактовых импульсов 50 кГц составляет 320 мс, т.е. производится 3 измерения в секунду.
Максимальный ток, потребляемый микросхемой от источника питания, не превышает 1,8 мА, погрешность преобразования не превышает 1 единицы младшего разряда. Указанные параметры гарантируются при температуре 25±5°С и питающем напряжении 9 В с нестабильностью ±1% (допуск на напряжение питания составляет 7...10 В). Входное сопротивление определяется лишь утечками и существенно превышает 100 МОм.
Микросхема КР572ПВ5 имеет встроенный источник опорного напряжения. Оно составляет 2,9±0,5 В, источник подключен плюсом к выводу 1 - плюсу источника питания микросхемы. Минусовой вывод источника опорного напряжения соединен с выводом аналогового общего провода (вывод 32) и обозначен на рис. 2 как -3 В. Нагрузочная способность этого источника резко несимметрична -при нагрузке, включаемой между плюсом питания (вывод 1) и выходом источника (вывод 32) ее ток может составлять несколько миллиампер. Если же нагрузка подключена между минусом питания (вывод 26) и выводом 32, ток нагрузки не может превышать 10 мкА. Это свойство источника позволяет использовать двуполярное пита
ние, при котором общий провод двух источников ±(3,5...5). В подключен к выводу 32 микросхемы (рис. 4).
Изменение выходного напряжения этого источника при колебаниях напряжения питания микросхемы в пределах 7,5...10 В менее 0,05%, температурный коэффициент напряжения положителен и не превышает 0,01 %/°С. Это обеспечивает очень хорошую точность му-
льтиметра на основе микросхемы КР572ПВ5 при работе в лабораторных условиях (при колебаниях температуры воздуха в пределах 15...25°С) и вполне приемлемую для многих измерений в более широком температурном диапазоне.
В то же время выходное сопротивление источника довольно велико - при токе нагрузки 1 мА напряжение на его выходе падает примерно на 5%, при 3 мА - на 12%. Поэтому указанная выше стабильность опорного напряжения реализуется лишь при постоянной нагрузке.
Для управления жидкокристаллическим индикатором микросхема имеет встроенный источник напряжения, по абсолютной величине несколько меньшей 5 В. Также, как и источник опорного напряжения, он подключен плюсом к выводу 1, минусовой выход источника (вывод 37) обозначен на рис. 2 как -5 В. Источник имеет заметную нестабильность - порядка 0,05 В при изменении напряжения питания в тех же пределах. Нагрузочная способность его также невелика - при токе нагрузки 1 мА выходное напряжение уменьшается на 0,8 В, поэтому использовать его можно только для питания микросхемы, управляющей жидкокристаллическим индикатором.
На выходе Р микросхемы (вывод 21) присутствует переменное напряжение (меандр) с частотой, в 800 раз меньше тактовой (62,5 Гц при тактовой частоте 50 кГц). На выходах микросхемы, подключае-
мым к сегментам индикатора, напряжение имеет ту же амплитуду, форму и частоту. Оно синфазно с напряжением на выходе F для невидимых сегментов и противофазно для видимых. Амплитуда этого напряжения (полный размах) соответствует напряжению на выводе 37.
Удобно настраивать тактовый генератор на частоту 40 кГц. В этом случае частота на выходе F микросхемы составляет 50 Гц и ее контролируют осциллографом, синхронизированным от сети. Изображение импульсов на экране должно быть практически неподвижным.
Для индикации десятичных запятых необходима дополнительная микросхема (DD1 на рис. 2). Она должна повторять фазу меандра для неиндицируемых запятых и инвертировать его для запятой, которую необходимо показать. Поэтому один из входов 1-4, соответствующий индицируемой запятой, следует соединить с цепью 0 В (уровень лог. 1 для такого включения DD1), остальные оставить свободными.
Как уже указывалось, АЦП на основе микросхемы КР572ПВ5 измеряет отношение напряжений на входах Uвx и Uo6p. Поэтому возможны два основных варианта ее применения. Традиционный
вариант - напряжение Uo6p неизменно, Uвх меняется в пределах -2Uo6p...+2Uo6p (или от 0 до 2Uo6p). Изменение напряжения на конденсаторе Синт и на выходе интегратора DA2 (рис. 1) для этого случая показано на рис. 5,а. При втором варианте напряжение, подаваемое на выводы Uвx, остается постоянным, а меняется Uo6p-Этот вариант использован в описываемых далее омметре и измерителе параметров транзисторов и проиллюстрирован на рис. 5,6. Возможен и смешанный вариант,
когда при изменении измеряемой величины меняются и Uвx и Uo6p, что реализовано в измерителе емкости.
Напряжения на входах и выходах ОУ, входящих в состав микросхемы, не должны выходить за пределы линейного участка их работы. Обычно указывают величину ±2 В, понимая под этим диапазон напряжений относительно аналогового общего провода при использовании встроенного источника опорного напряжения. Из рис. 5 видно, что наибольшее напряжение на выходе DA2 опреде
ляется максимальным напряжением на входе Uвx микросхемы. Знак напряжения на выходе интегратора относительно вывода 30 противоположен знаку напряжения на входе 31, а его величина Uинт может быть рассчитана по формуле:
Uинт=4000Uвх/(СинтRинт fтакт) (1)
Если входное напряжение в этой формуле выражено в вольтах, емкость Синт в микрофарадах, сопротивление Rинг в килоомах, тактовая частота fтакт в килогерцах, результат получается в вольтах.
Сразу отметим, что для обеспечения нормального режима разрядки конденсатора Синт напряжение на нем должно быть меньше напряжения между выводами 1 и 32 с запасом 0,2...0,3 В. Поэтому оно не должно быть более 2 В при однополярном питании микросхемы и 3...4 В (в зависимости от напряжений питания) - при двуполярном. При изменении измеряемой прибором величины напряжение на Синт может меняться в широких пределах, но для обеспечения максимальной точности желательно, чтобы для одного из крайних ее значений оно приближалось к максимально возможной величине.
Это и определяет правильный выбор элементов интегратора Синт и Rинт:
СинтRинт=4000Uвх/(Uинт fтакт) (2)
где размерности те же, что и в (1).
Рекомендуемые значения сопротивления Rинт - 47...470 кОм, причем для максимального напряжения Uвx нужно выбирать Rинт ближе к верхнему пределу, для минимального - к нижнему. Емкость конденсатора Синт является подчиненной и имеет обычно величину 0,1...0,22 мкФ.
Для повышения точности рекомендуется подключать один из выводов источников измеряемого и опорного напряжения к выводу аналогового общего провода 32. В практике в ряде случаев представляет интерес дифференциальное подключение входов к соответствующим источникам. Подавление синфазного напряжения на входах микросхемы по паспортным данным составляет 100 дБ, но нигде не указана допустимая величина синфазного напряжения, при котором АЦП сохраняет точность.
Для определения допустимого диапазона синфазных напряжений автором был проведен эксперимент. Напряжение Uo6p было выбрано равным 100 мВ, напряжение Uвx составляло 195 мВ, тактовая частота - 50 кГц, Синт - 0,22 мкФ, Rинт - 47 кОм. Для такого сочетания параметров напряжение Uинт на выходе интегратора DA2 и на
конденсаторе Синт к концу фазы ИНТ, рассчитанное по приведенной выше формуле, составляет 1,55 В.
Эксперимент дал интересные результаты. Напряжения на входах Uo6p (выводы 35 и 36) можно менять в полном диапазоне питающего напряжения, естественно, сохраняя разность между ними, не превышающую рекомендованной величины 2 В и соблюдая указанную на рис. 2 полярность. Это легко объяснимо - примененные в микросхеме ключи на транзисторах КМОП работают в полном диапазоне напряжения питания, а только ключи А5 и А 10 участвуют в зарядке конденсатора Собр от источника Uo6p.
Сложнее дело обстоит с напряжениями на выводах Uвx. Если напряжение на этих выводах имеет полярность, совпадающую с указанной на рис. 1 и 2, напряжение на выводе 31 должно отличаться от напряжения на выводе 1 (0 В) не менее, чем на 0,6 В. Эта величина определяется диапазоном линейной работы ОУ DA1 как повторителя При такой полярности Uвx в конце фазы ИНТ напряжение на выходе интегратора DA2 становится на Uинт ниже, чем на выводе 30, что схематически проиллюстрировано на рис б,а.
При приближении напряжений на выводах Uвx к напряжению на выводе 26 (-Uпит) начинает сказываться ограничение по диапазону линейной работы ОУ DA2 по выходу (рис. 6,а). Для операционных усилителей на транзисторах КМОП он близок к полному напряжению питания, поэтому напряжение на входе 30 должно превышать напряжение на выводе 26 на Uинт с небольшим запасом (порядка 0,2 В).
При полярности Uвх, противоположной показанной на рис. 1 и 2, напряжение на выходе интегратора на Uинт выше, чем на выводе 30 (рис. 6,6), поэтому именно оно определяет допустимую величину напряжения на выводе 30 при его приближении к напряжению на выводе 1. Экспериментально определено, что запас должен составлять также не менее 0,2 В, поэтому для Uинт=1,55 В разность напряжений на выводах 30 и 1 должна быть не менее 1,75 В.
При приближении напряжений на выводах Uвx к напряжению на выводе 26 и указанной выше полярности Uвx вновь основную роль начинает играть допустимый диапазон линейной работы ОУ DA1 как повторителя (рис 6,6). Минимально допустимая разность напряжений между выводами 31 и 26 составляет около 1 В
Из полученных результатов можно сделать вывод, что для измерения напряжения, синфазная составляющая которого максимально близка к напряжению на выводе 1, следует подключить его в соответствии с указанной на рис. 1 и 2 полярностью, если синфазная составляющая близка к напряжению на выводе 26, знак Uвx должен быть противоположным.
Если знак измеряемого напряжения может меняться, для получения максимального диапазона допустимых синфазных напряжений можно уменьшить напряжение на выходе интегратора, например до 0,5 В за счет увеличения Синт или Rинт в соответствии с формулой (2).
Для уменьшения влияния паразитных емкостей монтажа на точность измерений, особенно при больших синфазных напряжениях, рекомендуется место расположения Синт, Rинт и Сак на печатной плате окружать проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы При использовании двусторонней печатной платы под этими элементами желательно оставлять площадку, также соединяемую с выводом 27
О емкости конденсаторов Собр и Сак. В различной литературе рекомендованы их следующие значения: для максимального входного напряжения 200 мВ Собр=1 мкф, Сах=0,47 мкф, для Uвx=2 В Собр = 0,1 мкф, Сак =0,047 мкф. Если в процессе работы образцовое напряжение Uo6p, подаваемое на выводы 35 и 36 микросхемы, не меняется, емкость Собр может быть увеличена в несколько раз относительно указанных величин. Если же напряжение на этих входах может меняться, указанные величины емкостей заметно увеличивать нежелательно, поскольку это увеличит время установления показаний. Уменьшать емкость Собр также не рекомендуется, это приведет к снижению точности работы АЦП.
Емкость конденсатора Свх существенно влияет на время установления показаний после перегрузки. Поэтому во всех описываемых далее приборах (кроме термометра, где перегрузка практически невозможна) желательно придерживаться рекомендованных выше значений емкостей Сак.
О типах используемых конденсаторов. Для Синт обязательно использование конденсаторов с диэлектриком, обладающим малой абсорбцией - это конденсаторы, обозначение которых начинается с К70, например, К71-5, К72-9, К73-16, К73-17.
Для уменьшения времени установления показаний в тех случаях, когда на конденсаторах Собр и Сак напряжение может изменяться, для них желательно использовать конденсаторы с хорошим диэлектриком. Если же напряжение на них не меняется, допустимо использование керамических конденсаторов, например КМ-6.
Поскольку принцип двойного интегрирования нечувствителен к изменению частоты работы или скорости интегрирования (в разумных пределах), к стабильности Rинт и частотозадающих элементов генератора микросхемы особых требований не предъявляется
Естественно, что резисторы делителя, определяющие напряжение Uo6p; должны быть стабильными
Подключение цепочки R4C2 (рис. 2) обеспечивает защиту от статического электричества входа + Uвx при условии, что вход -Uвх подключен к общему проводу. Если же используется дифференциальная подача входного сигнала, следует защитить оба входа такими цепочками (см рис 9) Более того, если входы +Uo6p или -Uo6p в процессе работы подключаются к внешним по отношению к прибору элементам, необходимо защищать и эти входы аналогичными цепочками. Сопротивления резисторов цепочек можно при этом уменьшить до 33.. 51 кОм, поскольку при большей их величине увеличивается время установления показаний.
Различные варианты использования микросхемы КР572ПВ5 нашли свое применение в описываемых в этом разделе цифровых измерительных приборах.
Рис. 1 Структура микросхемы КР572ПВ5
Рис. 1 Структурная схема микросхемы КР572ПВ5
Рис. 2 Типовая схема включения микросхемы КР572ПВ5
Рис. 3 Цикл измерения АЦП микросхемы КР572ПВ5
Рис. 4 Двуполярное питание микросхемы КР572ПВ5
Рис. 5 Вариант работы интегратора микросхемы КР572ПВ5
2. Цифровой мультиметр.
ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР
Стрелочный авометр - измеритель напряжения, тока и сопротивления - много лет являлся основным прибором любого радиолюбителя. С появлением БИС КР572ПВ2 и КР572ПВ5 на смену ему пришел цифровой мультиметр, один из вариантов которого описываетсяниже.
Основным отличием предлагаемого прибора от ранее описанного автором [2, 3] является малое потребление тока от батареи питания, что определяется использованием рассмотренной выше микросхемы КР572ПВ5 и жидкокристаллического индикатора. Кроме того, в нем расширен диапазон измеряемых сопротивлений до 19,99 МОм и возможен контроль р-n переходов различных полупроводниковых приборов, что не может обеспечить большинство других цифровых мультиметров.
Мультиметром можно измерять постоянное и переменное напряжения (в вольтах), ток (в миллиамперах), а также сопротивление (в килоомах) в пяти диапазонах с верхними пределами 0,1999, 1,999,
19,99, 199,9, 1999. При измерении сопротивлений возможно введение множителя "х10".
Погрешность измерения сопротивлений, постоянного напряжения и тока менее ±(0,2% +1 единица младшего разряда). При измерении переменного напряжения и тока в диапазоне частот 20 Гц... 5 кГц погрешность измерения менее ±(0,3%+1 единица младшего разряда) во всем диапазоне измеряемых напряжений. В диапазоне частот до 20 кГц при измерении в диапазоне от 0,1 предела измерения и выше погрешность не превышает 2,5% от измеряемой величины, на частоте 50 кГц - 10%.
Указанная точность для вольтметра переменных напряжений на частотах более 5 кГц гарантируется на диапазонах 0,1999, 1,999, 19,99 В. На диапазонах 199,9 и 1999 В погрешность на частотах более 5 кГц больше.
Входное сопротивление вольтметра - 11 МОм, емкость - 100 пФ, падение напряжения при измерении тока не превышает 0,2 В. Питание осуществляется от батареи 7Д-0,125Д, потребляемый ток не превышает 2 мА при измерении постоянных напряжений и токов и 7 мА при измерении сопротивлений и переменных напряжений и токов. Мультиметр работоспособен при разряде батареи до напряжения 7,5 В.
Схема коммутации цепей мультиметра приведена на рис. 7, за основу взята схема, описанная в [2, З]. При измерении постоянного напряжения оно через делитель R1 - R6 поступает на вход "+" аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход "-" АЦП подключен при этом к общему проводу. Сопротивления большинства резисторов делителя выбраны кратными 10, что облегчает их -подбор. Сопротивление нижнего плеча делителя в этом случае составляет 1,111 кОм, оно получается параллельным соединением резисторов 1,2 кОм и 15 кОм. При использовании резисторов делителя с допуском 0,1% никакого дополнительного подбора резисторов делителя не требуется.
При измерении постоянного тока АЦП подключен к одному из шунтов R7-R11, через которые пропускается измеряемый ток. Использование двух секций SA2.3 и SA2.4 переключателя пределов измерений для коммутации шунтов позволяет исключить влияние нестабильности сопротивления контактов переключателя на погрешность измерения и порчу прибора в момент переключения пределов.
Принцип работы омметра проиллюстрирован функциональной схемой на рис. 8. Измеряемое сопротивление включено в цепь обратной связи операционного усилителя DA2, входной ток которого задан резисторами R1 - R6, подключенными через переключатели SA2.2 и SA1.3 к источнику напряжения +1,111 В. Поскольку
сопротивления используемых резисторов R1 - R6, включенных последовательно, кратны 1,111кОм, ток, задаваемый ими, имеет значения, кратные 10, и падение напряжения на измеряемом сопротивлении с точностью до множителя 10° равно его величине. Это падение напряжения на основных диапазонах (множитель "х1") измеряется с помощью АЦП, подключенного непосредственно к измеряемому сопротивлению. При введении множителя "х10" падение напряжения на измеряемом резисторе с помощью делителя R16R17R18 перед подачей на АЦП уменьшается в 10 раз. Такое построение омметра позволяет использовать те же резисторы, что и в делителе вольтметра и исключает их подбор. Кроме того, дрейф нуля операционного усилителя не приводит к дрейфу нуля омметра на основных диапазонах и уменьшается в 10 раз при введении множителя "х10".
Измерение переменного напряжения и тока производится аналогично измерению постоянных напряжений и токов, но на вход АЦП включается преобразователь переменного напряжения в постоянное, обведенный на рис. 7 штрихпунктирной линией. Входной делитель и шунты использованы те же, что и при измерении постоянного напряжения и тока. Во входном делителе при измерении на переменном токе важную роль играют конденсаторы С2 - С8, обеспечивающие точность деления входного сигнала. Значение емкостей этих конденсаторов рассчитать затруднительно, так как неизвестна точная емкость монтажа. Поэтому конденсаторы нижних плеч делителя С7 и С8 рассчитаны на некоторую усредненную емкость монтажа, поскольку разброс ее мало влияет на точность деления при относительно большой емкости конденсатора С8. Верхние плечи делителя снабжены подстроенными конденсаторами для точной настройки делителя. Построение делителя в две ступени (С2, С4 -первая ступень, С5, С7, С8 - вторая) позволяет в 10 раз уменьшить емкости нижних плеч делителя. Относительно большая емкость С2 верхнего плеча делителя позволяет точно подстроить это плечо конденсатором С3 и уменьшить погрешность делителя из-за изменения емкости монтажа соединительных проводников. Нижнее низкоомное плечо делителя выполнено без конденсаторов.
Крайнее верхнее по схеме положение переключателя SA1 служит для контроля напряжения батареи питания. В этом случае АЦП подключен к среднему плечу делителя напряжения батареи R 13 - R 15. Ток делителя имитирует ток, потребляемый операционными усили-
телями при их включении во время измерения сопротивления, переменного тока или напряжения. Показания мультиметра в этом режиме не зависят от положения переключателя диапазонов SA2.
На рис. 9 приведена схема преобразователя переменного напряжения в постоянное, источника опорного напряжения, АЦП и подключения АЦП к индикатору.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное собран на операционном усилителе (ОУ) DA2, который также используется в омметре. Входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ. Усиленное напряжение полуволны положительной полярности выделяется на резисторе R39, а отрицательной - на резисторе R38. Между верхними по схеме выводами резисторов R39 и R38
формируется выпрямленное напряжение, которое через фильтрующие цепи R42C19 и R43C20 подается на вход АЦП.
На резисторах R40 и R41 выделяются обе полуволны усиливаемого напряжения, с них напряжение обратной связи по переменному току через конденсатор C18 поступает на инвертирующий вход ОУ, чем достигаются высокая точность и линейность преобразователя. Стабильность рабочей точки ОУ по постоянному току обеспечена за счет отрицательной обратной связи через резистор R37. Относительно большая величина сопротивления этого резистора выбрана потому, что он не должен шунтировать измерительную цепь VD1, VD2, R38, R39. Емкость конденсатора С18 также выбрана довольно большой, так как он с паразитной емкостью монтажа образует делитель входного сигнала, поступающего на инвертирующий вход ОУ. При меньшей емкости конденсатора С18 возникает заметная погрешность при измерении переменного напряжения на пределе 1999 В.
Резистор R35 служит для установки нуля ОУ DA1, конденсаторы С 11 и С 17 являются блокировочными, подстроечный резистор R41 служит для точной установки коэффициента передачи преобразователя переменного напряжения в постоянное. Цепи R32C12 и R33C13 обеспечивают защиту ОУ от перегрузок.
Конденсатор С25 и резисторы R45, R46 - задающие частоту элементы генератора микросхемы, генератор работает на частоте 50 кГц. Конденсатор С23 и резистор R44 - элементы интегратора. Конденсатор С24 работает в цепи автокоррекции, конденсатор С22 служит для запоминания образцового напряжения. Цепи R47C26 и R48C27 фильтруют входное напряжение АЦП и защищают его от случайных перегрузок. Конденсаторы С9 и С28 - блокировочные по цепям питания.
Напряжение 1,111 В для работы омметра формируется с помощью делителя R 19 - R22, для исключения зависимости этого напряжения от величины токозадающих резисторов R1 - R6 установлен буферный ОУ DA1.
Все напряжения на схеме указаны относительно плюса батареи питания (О В), за исключением 1,111 В, оно указано относительно общего провода.
Резисторы R1-R11.R13-R17 следует подобрать с погрешностью 0,1%, в крайнем случае - 0,2%. В описываемой конструкции в основном использованы резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт. Резистор R10 типа С2-1 0,25 Вт, резистор R11 составлен из десяти параллельно соединенных резисторов С2-29В 1 Ом 0,125 Вт. Резистор R1 состоит из 5 последовательно соединенных резисторов С2-29В 2 МОм 0,25 Вт.
Такую точность для остальных резисторов соблюдать не нужно, однако резисторы R19, R20, R22, R24, R25, R27, R38 - R40 должны быть стабильными, например С2-29В.
Резисторы R38 - R40 могут быть выбраны в диапазоне 3...5кОм, но их сопротивления должны быть равны друг другу с точностью до 1%, а сопротивление резистора R41 - в 12... 16 раз превышать сопротивление R38 - R40. Подстроечные резисторы - СПЗ-19а.
Конденсатор С8 типа К73-9 с допуском 10% на рабочее напряжение 100 В, конденсатор С1 - К73-17 на напряжение 400 В, а С22 того же типа на напряжение 63 В. Допуск конденсатора С21 должен быть 5%, остальных - до 20%. Конденсаторы С23 и С24 типа К73-11 на напряжение 160 В. Возможно применение и других конденсаторов, обозначение которых начинается с К70. Их рабочее напряжение (кроме С1) может быть любым. Полярные конденсаторы, использованные в мультиметре, типа К53-4, остальные - КД, КМ-5 или КМ-6. С7 подбирают из конденсаторов с номинальной емкостью 1100 пФ. Его емкость должна составлять 0,109 от емкости С8 с погрешностью 0,2%.
Конденсаторы С4 и С7 должны иметь группу по ТКЕ не хуже М750. Подстроечные конденсаторы С3 и С6 - КТ4-216 на напряжение 250 В. Переключатели SA1 и SA2 - ПГ2-12-6П8Н, SA3 - ПР2-2П4Н. На принципиальной схеме дана нумерация контактов, указанная на переключателях.
Микросхему К1407УД2 возможно заменить ОУ, работоспособным при полном напряжении питания 7 В с входным током не более 150 нА (К140УД12, К140УД17, К574УДЗ). Можно применить ОУ и с большим входным током, пропорционально увеличив ток делителя R19 - R22. Микросхема КР574УДЗ уникальна для использования в данном устройстве, поскольку работает при полном напряжении питания 6 В, имеет полевые транзисторы на входе, обладает малым дрейфом нуля и достаточно высоким быстродействием. Ее можно заменить лишь на К574УДЗ при учете различия в цоколевке и КР544УД2 - при увеличении напряжения питания до 10 В. Микросхема К561ЛП2 заменима на КР1561ЛП14, а при изменении рисунка печатной платы - на 564ЛП2.
Все детали мультиметра, кроме батареи питания, расположены на двух печатных платах размерами 65х90 мм. На первой односторонней плате установлены все детали мультиметра, за исключением микросхем DD1, DD2, индикатора HG1 и непосредственно связанных с ними деталей - они расположены на второй плате. На рис. 10 приведено расположение проводников и деталей на первой плате со стороны, противоположной стороне установки элементов. Вторая плата - двусторонняя. На рис. 11,а показано расположение
деталей и проводников на стороне установки деталей, а на рис. 11,б -с противоположной стороны.
Следует иметь в виду, что на всей поверхности плат со стороны установки микросхем, за исключением мест расположения проводников, показанных на рис. 11,а, и под переключателем SA3 со стороны расположения проводников сохранен сплошной слой металлизации (фольги), выполняющей роль общего провода. Отверстия в печатных платах со стороны установки деталей раззенкованы. Места подпайки выводов к фольге общего провода на рис. 10 и 11,а помечены крестиками. Один из выводов конденсатора С20, стойки на обеих платах для подключения общего провода и проволочная скоба для соединения выводов резисторов R7 - R 11 подпаяны к фольге платы с обеих сторон. В этом случае соответствующие отверстия не зенкованы. На второй плате проводники, соединяющие резистор R44 и конденсаторы С23 и С24, с целью умень
шения. влияния паразитных емкостей на результат преобразования, окружены защитным проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы. Для этой же цели фольга со стороны установки микросхем под указанными элементами отделена от общего провода и соединена с тем же выводом.
Вторая плата является законченным вольтметром постоянного тока с пределом измерения 199,9 мВ и может использоваться в других конструкциях измерительных приборов.
Переключатели SA1 и SA2 размещены на кронштейне из латуни толщиной 1 мм (рис. 12), который установлен в вырезе первой платы. Входные гнезда XS1 и XS2 для штырей диаметром 1,6 мм находятся на боковой стенке корпуса. Переключатели снабжены ручками - барабанами с гравировкой режимов и пределов измерений (рис. 13). Следует помнить, что ручки должны быть изолированы от осей переключателей. Переключатель SA3 закреплен на уголке из латуни той же толщины, его ось параллельна длинной стороне платы. Управляется переключатель рычагом, изготовленным из орга-
нического стекла толщиной 4,5 мм. Ось переключателя укорочена до 4,5 мм, лыска оси расширена до стопорной шайбы.
Платы скреплены между собой винтами М2,5, между платами установлен тонкий латунный экран, соединенный с общим проводом и оклеенный с обеих сторон самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой, на винты с каждой стороны экрана одеты металлические дистанционные втулки высотой 2 мм.
Скрепленные между собой платы мультиметра установлены в пластмассовый корпус габаритами 116х72х34 мм. Платы крепят винтами М2,5 к четырем бобышкам из органического стекла. Напротив индикатора в корпусе прорезано окно 16х41 мм, в которое вклеена пластина из бесцветного прозрачного органического стекла.
Платы закрыты экранами в форме поддонов, изготовленными из латуни толщиной 0,3 мм и оклеенными изнутри самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой. Экраны соединены с общим проводом. Напротив подстроечных конденсаторов С3 и C6 в одном из экранов пробиты отверстия.
Монтаж и настройку мультиметра рекомендуется проводить в следующей последовательности. Вначале следует собрать вторую плату, но вместо резистора R45 установить переменный резистор 47 кОм. Подключив частотомер к выводу 21 микросхемы DD2 и к плюсу батареи питания, переменным резистором установить частоту генератора 50 кГц (62,5 Гц по частотомеру). Впаять резистор, соответствующий сопротивлению введенной части переменного,
Соединив вход "-" АЦП с общим проводом, откалибровать АЦП с помощью подстроечного резистора R26, подав на его вход контролируемое точным вольтметром напряжение 0,18...0,19 В, при необходимости подобрать R25. Установив входное напряжение +0,199 В, нужно сменить его полярность: должен появиться знак "-".
Собрав на первой плате преобразователь переменного напряжения в постоянное, соединить его вход " + " с общим проводом, а вход "-" - с выходом ОС=. Входы АЦП подключить к выходу ОС= и общему проводу. Подстроечным резистором R35 установить нулевое напряжение на выходе DA2.
Далее нужно подключить выходы преобразователя переменного напряжения в постоянное к входам АЦП с соблюдением полярности. Выход ОС~ преобразователя следует соединить с его входом "-". Подав на вход "+" преобразователя напряжение 150...180 мВ с частотой 1000 Гц, резистором R41 устанавливают такое же показание на индикаторе. Уменьшая входное напряжение в 10 и 100 раз, следует проверить линейность работы преобразователя.
Такова методика предварительной настройки.
Теперь можно приступать к сборке первой платы. Рекомендуемый порядок проведения объемного монтажа цепей коммутации такой. Вначале переключатели SA1 и SA2 устанавливают на кронштейн и соединяют между собой их контакты в соответствии со схемой рис. 7. К контактам переключателей подпаять проводники МГТФ-0,14 с некоторым запасом по длине для соединения с печатными платами мультиметра и с переключателем SАЗ. Затем, установив кронштейн на плату, впаять проводники, идущие от переключателей, в соответствующие отверстия плат и подпаять переключатель SA3, установив его па плату. Провод от переключателя SA1.2 к скобе, соединяющей резисторы R7 - R 11, должен быть проложен отдельно от других цепей и подключен к концу скобы у резисторов R11. Шунты R9 - R11 подключают к секциям переключателя SA2.3 и SA2.4 двумя про-
водниками, каждый проводник к своей секции. У R10 и R11 для этого предусмотрено по два контакта. Поскольку почти все добавочные резисторы вольтметра и шунты миллиамперметра устанавливают перпендикулярно печатной плате, в большинстве случаев при отсутствии необходимого номинала их можно составлять из двух последовательно или параллельно включенных резисторов.
Окончательную настройку мультиметра производят в таком порядке. Мультиметр устанавливают в режим измерения постоянного напряжения и калибруют его, как описано выше, но подавая на его вход напряжение около 1,9 или 19 В. Работу вольтметра следует проверить и на других диапазонах.
Переключая мультиметр в режим измерения сопротивления, включают между входами мультиметра эталонный резистор с сопротивлением 15...19 или 150...190 кОм, величина которого известна с погрешностью не хуже 0,1%. Установив соответствующий предел измерения (без множителя "х10"), при котором индицируются все четыре знака, подстроечным резистором R21 добиваются показаний на индикаторе сопротивления эталонного резистора, при необходимости следует подобрать R 19.
Затем проверяют работу омметра на других диапазонах. На диапазоне 199,9 Ом показания могут быть завышены на 0,2...0,3 Ом за счет сопротивления соединительных проводников.
Проверить работу омметра в положении "х10" переключателя SA3, при необходимости подобрать резистор R18.
Установив мультиметр в режим измерения переменных напряжений, следует откалибровать его на частоте 50 Гц резистором R41 аналогично вольтметру постоянного напряжения.
Далее, установив смонтированную плату в корпус и закрепив экран, необходимо подстроить делитель конденсаторами С3 и С6. Возможно, что при этом придется подобрать конденсаторы С2 и С5. Рекомендуемый порядок здесь такой. Вначале следует подать на вход напряжение около 190 мВ с частотой 5 кГц и на пределе 0,1999 запомнить показания. Переключив вольтметр на следующий предел, увеличить входное напряжение в 10 раз и подстроечным конденсатором СЗ установить такие же показания. Далее необходимо переключить вольтметр на предел 19,99 В, увеличить входное напряжение еще в 10 раз и конденсатором С6 откалибровать вольтметр на этом пределе. Указанные операции по подстройке делителя необходимо повторить несколько раз, так как они оказывают влияние друг на Друга.
В режиме измерения постоянного и переменного токов мультиметр не требует калибровки.
В выключенном состоянии батарея,питания подключена к
входным гнездам, что позволяет контролировать ее напряжение и заряжать аккумуляторы.
При пользовании прибором нельзя переключать режим измерений при подключенном к контролируемой цепи .мультиметре. Постоянное и переменное напряжения, подаваемые на вход мультиметра, не должны превышать 500 В.
Несколько слов о контроле р-n переходов полупроводниковых приборов. В режиме омметра мультиметр измеряет падение напряжения на контролируемом сопротивлении (и р-n переходе) при заданном токе 1 мА, 100, 10, 1 и 0,1 мкА. На основных диапазонах омметра падение напряжения на проверяемом элементе не должно превышать 0,1999 В, поэтому контроль р-n переходов практически невозможен. При введении множителя "х10" падение напряжения может достигать 1,999 В, поэтому можно проверять р-n переходы всех полупроводниковых приборов, включая светодиоды. Мультиметр очень удобен для снятия вольт-амперных характеристик р-n переходов в логарифмическом масштабе, поскольку на табло при пяти значениях протекающего тока, различающихся максимально на четыре порядка, индицируется падение напряжения на р-n переходе в милливольтах.
Описанный выше мультиметр в режиме омметра позволяет измерять емкость конденсаторов. Рассмотрим упрощенную схему омметра мультиметра (рис. 14). Измеряемый резистор включен в цепь обратной связи операционного усилителя DA1, инвертирующий вход которого подключен к источнику стабильного напряжения Uст через токозадающий резистор R1. В результате на вольтметр PV1 поступает напряжение U, пропорциональное измеряемому сопротивлению Rx и определяемое по формуле:
U=RхI,гдеI=Ucт/Rl. Что произойдет, если вместо измеряемого сопротивления в цепи обратной связи подключить конденсатор (рис. 15)? В этом случае образуется хорошо известная схема интегратора. Напряжение, поступающее на вольтметр, линейно нарастает во времени. Чем больше
емкость конденсатора, тем медленнее нарастает напряжение. Через время Т оно достигает величины U:
U=TI/Cх,
Заметив показания вольтметра через некоторое время Т относительно момента подключения разряженного конденсатора, рассчитаем его емкость:
Сх = TI/U = T/Rx, поскольку I= U/Rx.
Емкости какой величины реально измерять мультиметром? При определении параметра Т по секундомеру удобно определять момент перегрузки омметра, т. е. когда его показания становятся равными предельному значению для данного диапазона измерения сопротивлений. Приемлемое время измерения составляет 10... 100 с, поэтому на пределе 20 МОм можно измерять емкости от 10/20=0,5 мкФ до 100/20=5 мкФ, на диапазонах 2 МОм, 200, 20, 2 кОм и 200 Ом -соответственно конденсаторы емкостью 5...50, 50...500, 500...5000, 5000...50000 и 50000... 500000 мкФ. Если время измерения увеличить до 400 с или отсчет времени производить в момент достижения показаний 50 Ом, можно измерять даже наибольшую емкость отечественного ионистора - 2 Ф.
Для достижения большей точности измерения можно увеличивать его время, но не более 400... 500 с для оксидных конденсаторов, поскольку при большем времени точность измерений уменьшается за счет утечек.
Перед проведением измерений предлагаемым способом давно не использовавшиеся оксидные конденсаторы необходимо отформовать - подавать на них в течение нескольких часов номинальное напряжение, а затем разрядить, замкнув выводы на несколько минут. Такая длительная разрядка необходима для уменьшения влияния абсорбции, проявляющейся в сохранении части заряда на конденсаторе и постепенного появления на выводах разряженного конденсатора напряжения небольшой величины после его кратковременной разрядки. Поэтому перед измерением емкости оксидного конденсатора следует тем же мультиметром проверить отсутствие напряжения на выводах.
Рис. 10 Первая печатная плата мультиметра
Рис. 11 Вторая печатная плата мультиметра
Рис. 12 Кронштейн для переключателей SA1 и SA2
Рис. 13 Ручки-барабаны для переключателей SA1 и SA2
Рис. 14 Упрощенная схема омметра
Рис. 7 Схема коммутации цепей мультиметра
Рис. 8 К пояснению принципа работы омметра
Рис. 9 Измерительная часть мультиметра на микросхеме КР572ПВ5
3. Цифровой измеритель емкости.
ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ
Описываемый прибор позволяет измерять емкости конденсаторов, в том числе и полярных, на семи пределах - 200 пФ, 2000 пФ и далее до 200 мкф. Погрешность измерения - +-(0,3%+l единица младшего разряда) на пределах 0,02 мкф и выше с увеличением ее до ±0,6% на пределах 200 и 2000 пФ. Измеритель потребляет ток не
более 8мА при питании напряжением 9 В от аккумуляторной батареи 7Д-0,125Д.
Принцип действия измерителя основан на методе, описанном в [4], и состоит в следующем. Измеряемый конденсатор периодически заряжается до некоторого напряжения с последующей разрядкой через образцовый резистор. Отношение среднего тока разрядки к амплитуде переменного напряжения на конденсаторе строго пропорционально его емкости и частоте независимо от напряжения, до которого заряжается и разряжается конденсатор. Указанное отношение измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микросхемы КР572ПВ5.
Принципиальная схема прибора приведена на рис. 16, временная диаграмма работы - на рис. 17. Цикл измерения состоит из пяти тактов и формируется счетчиком DD2. В зависимости от диапазона измеряемых емкостей используется частота импульсов счета 125 Гц или 12,5 кГц. Сигналы с выходов счетчика управляют ключами микросхемы DD3, коммутирующими измеряемый конденсатор и прецизионные резисторы измерителя, а также аналоговые входы микросхемы DD5.
В первом такте измеряемый конденсатор Сх через верхний по схеме ключ микросхемы DD3 подключен к выходу эмиттерного повторителя на транзисторе VT1 и заряжается до напряжения около 0,8 В. Во втором такте это напряжение через усилитель на ОУ DA1 с коэффициентом усиления 1,25, определяемым цепью обратной связи R6 - R9, передается на конденсатор С9 и заряжает его. В третьем такте измеряемый конденсатор подключен к измерительному входу АЦП и разряжается через один из точных резисторов R1 - R5. В четвертом такте конденсатор С6, соединенный с общим проводом, с выхода ОУ DA1 заряжается до напряжения, пропорционального напряжению на разряженном в третьем такте конденсаторе Сх. В пятом такте все ключи разомкнуты и изменений в измерительной части прибора не происходит. Этот такт необходим для того, чтобы длительность цикла измерения емкости при частоте импульсов на входе счетчика DD2, равной 125 Гц, была равна длительности фазы интегрирования входного напряжения, составляющей 4000 периодов частоты генератора АЦП.
Многократное повторение указанного цикла приводит к тому, что на конденсаторе С9 устанавливается напряжение, равное амплитуде переменного напряжения на измеряемой емкости (с коэффициентом 1,25), а среднее напряжение на измерительном входе АЦП оказывается пропорциональным току через эту емкость. В результате
АЦП, измеряющий отношение напряжения на измерительном входе к образцовому, через дешифратор микросхемы отражает на индикаторе HG1 значение емкости измеряемого конденсатора.
Сопротивления резисторов R1 -R5 и частота импульсов, подаваемых на вход счетчика DD2, выбраны так, что при изменении измеряемой емкости от 0 до максимального индицируемого значения, образцовое напряжение на опорном входе АЦП изменяется от 1 до 0,077 В, а на измерительном входе - от 0 до 154 мВ. На рис. 18 показаны зависимости образцового напряжения на входе опорного напряжения АЦП и напряжения на измерительном входе АЦП. Важно отметить, что при выбранной схеме устройства сопротивление открытых ключей микросхемы DD3 не влияет на погрешность измерения.
Для обеспечения необходимой точности измерений частота импульсов, подаваемых на вход микросхемы DD2, должна быть стабильной, поэтому она задается кварцевым резонатором генератора микросхемы DD5. В ней же частота генератора 100 кГц делится на 800, и с выхода F импульсы с частотой 125 Гц подаются на общий электрод индикатора. Сигнал с этого выхода используется как входной для счетчика DD2 на пределах в диапазоне 2 мкф - 200 мкф. Для остальных пределов измерения частота 100 кГц делится на 8 счетчиком DD1.
Управление положением запятой при отсчете показаний осуществляет микросхема DD4. Запятая Н4 используется для индикации разряда батареи питания. При напряжении питания более 7,2 В напряжение на входе 9 микросхемы DD4 ниже порога переключения и запятая невидима. При снижении напряжения батареи питания напряжение питания микросхемы DD4 остается постоянным, а входное напряжение на выводе 9 возрастает. При напряжении батареи менее 7,2 В оно становится выше порога переключения и запятая Н4 становится видимой.
Резисторы Rl - R3 следует подобрать с точностью 0,1%, в крайнем случае 0,2%. В описываемой конструкции использованы резисторы С2-29В мощностью 0,125 Вт. Из-за неидеальности ключей микросхемы DD3 и емкостного прохождения управляющих сигналов ключей в коммутируемые цепи резисторы R4 и R5 требуют подбора. Резистор R5 состоит из трех последовательно соединенных резисторов С2-29В 0,125 Вт с сопротивлением 2 МОм и одного подбираемого резистора МЛТ-0,25 с сопротивлением около 1,3 МОм. Резистор R4 составлен аналогично из точного сопротивлением 499 кОм и подборного - 33 кОм. Выдерживать номинал резисторов Rl -R3, кратный величине 4,99, необязательно. Можно их выбрать кратными, например 5,1, но их отношение должно быть выдержано пропорционально степени числа 10 с точностью 0,1...0,2%, в этом случае, возможно, придется подобрать резистор R6 или R9. Резисторы R6 и R9 должны быть стабильными.
Микросхема ОУ КР574УДЗ наиболее полно отвечает требованиям для использования в данном устройстве. Вместо него применим ОУ К574УДЗ при учете различия в цоколевке или КР544УД2 при изменении цепей коррекции и увеличении напряжения питания до 10 В. Поскольку напряжение 10 В является максимальным для КР572ПВ5 и минимальным для КР544УД2, оно должно быть стабилизированным. Можно также при использовании микросхемы КР544УД2 установить батарею аккумуляторов на 12 В, а между цепью -9 В и конденсатором С 12 - четыре маломощных кремниевых диода, падение напряжения на которых составит около 2,5 В. Микросхемы серии К561 заменимы на микросхемы серии КР1561, а при изменении рисунка печатной платы - на микросхемы серии 564.
В конструкции использованы конденсаторы КМ-5, КМ-6, конденсатор С11 должен быть с высококачественным диэлектриком (например, серии К73-16). Полярные конденсаторы - К53-18.
Все детали измерителя, кроме батареи питания, расположены на двусторонней печатной плате размерами 65 х 105мм, на рис. 19,а приведено расположение деталей и проводников на стороне установки микросхем, на рис. 19,6 - проводников и некоторых других деталей на другой ее стороне. Конструктивные особенности платы и всего измерителя - те же, что и у предыдущего устройства. Габариты корпуса -135 х 72 х 34 мм. Переключатель снабжен такой же ручкой-барабаном, что и в мультиметре, но изоляции ручки от оси
переключателя не требуется.
Измеритель целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, кроме
кронштейна с переключателем и резистора R7. Подобрать образцовый конденсатор, емкость которого 0,15...0,19 мкФ и известна с точностью не хуже 0,1%. Установить переключатель на предел "0,2 мкФ" и подключить резистор R2. Подбором резистора R8 добиться показаний измерителя, соответствующих емкости конденсатора, при необходимости подобрать резистор R7.
Если прибор не начинает работать сразу, нужно проверить работу генератора в микросхемеDD5, работу делителей частоты DD1 и DD2, наличие опорного напряжения 0,8 В на резисторе R12. В любом случае желательно проверить отсутствие генерации в ОУ DA1, при ее наличии подобрать конденсаторы С3 - С5.
Затем установить кронштейн с переключателем и полностью собрать измеритель. Повторно откалибровать его с помощью эталонного конденсатора, как это описано выше. Без подключения к прибору измеряемого конденсатора на пределе 200 пФ за счет емкости монтажа и входной емкости микросхем DA1 и DD3 показания индикатора должны быть несколько менее 10 пФ. При подключении эталонного конденсатора емкостью 150...190 пФ показания должны возрасти на величину емкости эталонного конденсатора. Если возрастание меньше, увеличивают сопротивление резистора R5, если же больше - уменьшают. Аналогично подбирают сопротивление резистора R4 с использованием точного конденсатора 1500... 1900 пФ. При наличии точного конденсатора 0,015...0,019 мкФ можно вместо одного резистора R3 установить два - один сопротивлением 49,9 кОм подключить к контакту 5 секции SA1.1, другой, подборный, подключить между контактами 3 и 5.
Для упрощения пользования прибором при измерении малых емкостей целесообразно подобрать конденсатор, включенный параллельно входным гнездам, с тем, чтобы начальное показание прибора ;
было равно 10 пФ.
Следует также подобрать номиналы резисторов R13 и R14 так, чтобы запятая Н4 включалась при снижении напряжения питания ниже 7,1...7,3 В.
При необходимости в прибор можно ввести еще один диапазон измерений - 2000 мкФ. Для этого между контактом 8 секции переключателя SA1.1 и общим проводом следует включить резистор сопротивлением 49,9 Ом. Контакт 8 секции SA1.4 следует оставить свободным, а подключение контактов 8 секций SA1.2 и SA1.3 должно быть таким же, как и контактов 7. Выключенному состоянию прибора должно соответствовать положение 9. Погрешность измерений на дополнительном диапазоне не превышает 1,5%.
Рис. 16 Принципиальная схема измерителя емкости
Рис. 17 Временная диаграмма работы измерителя емкости
Рис. 19 Печатная плата измерителя емкости
4. Цифровой измеритель RCL.
ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ RCL
Измеритель имеет следующие диапазоны измерений: 200 пФ, мкГн, Ом, 2, 20, 200 нФ, мГн, кОм, 2, 20 мкФ, Гн. Погрешность измерений ±(0,5% + 1 единица младшего разряда) при измерении емкостей и сопротивлений и ±(2% + 1 единица младшего разряда) при измерении индуктивности. Прибор питается от батареи, составленной из 8 аккумуляторов Д-0,125 и потребляет ток менее 20 мА. Прибор сохраняет свою точность при снижении напряжения питания до 8 В, поэтому его можно питать от батареи 7Д-0,125, но ее емкость не будет использоваться полностью.
Принцип измерений в описываемом приборе заключается в следующем. Напряжение треугольной формы прикладывается к
измеряемой емкости, при этом ток через нее имеет форму меандра и его амплитуда пропорциональна измеряемой емкости. При измерении индуктивности через нее пропускается ток треугольной формы, падение напряжения на индуктивности имеет форму меандра и пропорционально ее величине. Измеряемая емкость и эталонные резисторы подключаются в соответствии с рис. 20,а, а измеряемая индуктивность - по схеме рис. 20,6. При измерении сопротивлений используется соединение по
схеме рис. 20,а, но эталонными становятся емкости, а измеряемое сопротивление устанавливается на место эталонного.
Схема измерителя приведена на рис. 21. Все микросхемы прибора, кроме DD9, питаются от батареи GB1 непосредственно. Для симметричной работы операционных усилителей при помощи резисторов R 12 и R 13 и ОУ DA3 создана искусственная средняя точка, относительно которой указаны напряжения на схеме.
Задающий генератор прибора собран на элементах DD1.1 и DD1.2 и работает на частоте 1 МГц. Цепочкой декадных делителей DD2 -DD5 эта частота делится до 100 кГц - 100 Гц. Использованные в делителе микросхемы К176ИЕ4 при включении могут делить частоту с неправильным коэффициентом деления, поэтому для их начальной установки применена цепочка C22R26. Сигналы с выходов микросхем DD2 - DD5 через переключатель SA1.1 подается на микросхему DD6. В ней частота делится на 10 и с выхода Р микросхемы сигнал в форме меандра с частотой 100 кГц - 10 Гц подается через повторитель на элементах DD1.3, DD8.1, DD8.2 на вход формирователя напряжения треугольной формы. Микросхема DD6 типа
К561ИЕ8 имеет внутреннюю цепь коррекции, обеспечивающую правильный коэффициент деления, поэтому подача на него импульса начальной установки не требуется. Повторитель на ключах микросхемы К561КТЗ обладает существенно меньшим выходным сопротивлением по сравнению со стандартными выходами микросхем этой серии, что исключает необходимость подбора входных резисторов формирователя напряжения треугольной формы.
Формирователь собран по схеме интегратора на ОУ DA1. Сопротивления резисторов R5 - R7 и емкости конденсаторов С6 и С7 выбраны так, чтобы амплитуда напряжения треугольной формы составляла 4 В от пика до пика (±2 В), а наклон "пилы" на частоте 100 кГц был 0,75 В/мкс. Для симметрирования выходного напряжения в интегратор введена нелинейная отрицательная обратная связь через выпрямительный мост VD6, в диагональ которого включены диоды VD4 и VD5, через которые пропущен при помощи резисторов R3 и R4 небольшой ток. При подходе выходного напряжения интегратора к +2 или -2 В диоды моста открываются и замыкается цепь отрицательной обратной связи. В результате вершины напряжения треугольной формы незначительно ограничиваются, что не влияет на точность измерений, поскольку важной является линейность напряжения только вблизи нулевого значения.
Напряжение треугольной формы с выхода ОУ DA1 подается через секцию переключателя SA2.1 на измеряемую емкость и эталонные резисторы R10, R11 или через эталонные резисторы R8, R9 на измеряемую индуктивность или через эталонные конденсаторы С3, С4 на измеряемое сопротивление, в результате чего образуется одна из схем рис. 20.
При измерении емкостей и сопротивлений напряжение на выходе цепи рис. 20,а имеет форму меандра с плавными переходами между
положительными и отрицательными горизонтальными участками. При измерении индуктивностей за счет их всегда реально существующего активного сопротивления горизонтальные участки напряжения получают наклон (рис. 22, ограничение вершин треугольного напряжения и плавные переходы условно не показаны).
Через буферный ОУ DA2 сигнал поступает на синхронный выпрямитель, собранный на ключах DD8.3, DD8.4 и конденсаторах С16 и С17. Ключи управляются выходными им-
пульсами счетчика DD6 и открываются на 1/10 периода выходного сигнала ОУ DA2 в середине горизонтальных участков, ключ DD8.4 в середине положительной полуволны, DD8.3 - отрицательной. Конденсаторы С 17 и С 18 запоминают напряжения на время разомкнутого состояния ключей, с них сигнал подается на измерительный вход АЦП.
Систематическая погрешность прибора при измерении емкостей и сопротивлений, возникающая из-за того, что последовательно с измеряемой или эталонной емкостью включен эталонный или измеряемый резистор, ничтожна, поскольку к моменту открытия ключей DD8.3 или DD8.4 процесс установления величины тока через конденсатор полностью заканчивается. При измерении индуктивностей собственное сопротивление катушек индуктивности играет двоякую роль. С одной стороны, оно несколько уменьшает показания прибора, поскольку включено последовательно с резисторами R8 или R9 и уменьшает величину тока треугольной формы, текущего через измеряемую индуктивность. С другой стороны, оно увеличивает показания за счет наклона горизонтальных участков сигнала на выходе DA2. Указанные эффекты не компенсируют друг друга и заметно снижают точность измерений.
Максимальное значение напряжения на конденсаторах С16 и С17, соответствующее предельному значению каждого диапазона, составляет ±50мВ, полное напряжение, подаваемое на вход АЦП - 300 мВ. Двухполупериодный характер выпрямления обеспечивает неизменность выходного напряжения выпрямителя при уходе нуля операционных усилителей DA1 и DA2.
Включение микросхемы DD10 имеет некоторые особенности. Опорное напряжение, определяемое максимальным входным сигналом, составляет 150 мВ. Оно снимается с делителя R 19 - R22. Нестабильность напряжения источника питания не играет никакой роли, поскольку как выходное напряжение синхронного выпрямителя, так и опорное напряжение пропорциональны напряжению питания, а АЦП измеряет их отношение. Также не сказывается уход частоты генератора DD1.1, DD1.2, поскольку важна крутизна треугольных импульсов на выходе микросхемы DA2, а не их частота.
Исходная частота работы АЦП выбрана равной 40 кГц. Она получается из сигнала с частотой 1 МГц делением на 25 при помощи микросхемы DD7 и элемента совпадения на диодах VD1 - VD3, резисторе R2 и конденсаторе С2. Амплитуда импульсов на входе RCr микросхемы DD10 должна соответствовать напряжению внутреннего источника питания цифровой части микросхемы -Uц , составляющего по абсолютной величине около 5 В. Оно приводится к необходимой величине при помощи делителя R23, R24.
Управление местоположением запятой индикатора HG1 при отсчете показаний осуществляет микросхема DD9. Запятая Н4 используется для индикации разряда батареи питания.
Резисторы R5 - R11 следует подобрать с точностью 0,2%. В описываемой конструкции использовались резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт, остальные резисторы - МЛТ, подстроечный -СПЗ-19а. Резистор R5 состоит из параллельно соединенных точного резистора 10 кОм и МЛТ-0,25 1 МОм 10%. Выдерживать номиналы резисторов R12, R13, R19, R21, R22 не обязательно, но они должны быть стабильными. При этом резисторы R12 и R13 должны быть равны друг другу с точностью 0,5%, а на входы образцового напряжения микросхемы DD10 должно подаваться 150 мВ. Диоды могут быть использованы практически любые маломощные кремниевые, в том числе и для замены моста VD6.
Микросхемы КР544УД2 могут быть заменены на К544УД2, вместо КР140УД14А можно использовать практически любой ОУ, работающий при напряжении питания ±5В, например КР140УД6. Микросхему К176ИЕ1 можно заменить при изменении схемы на К176ИЕ2 или на К561 ИЕ10. Микросхемы серии К561 можно заменить на микросхемы серии КР1561, К561ИЕ8 и на К176ИЕ8, а при изменении рисунка печатной платы - на микросхемы серии 564.
Если батарею питания разделить на две по 5 В, можно исключить ОУ DA3, при этом питание необходимо будет отключать двумя секциями переключателя SA2.
Конденсаторы С1, С3, С4, С6 следует подобрать с ТКЕ не хуже М75. Остальные конденсаторы могут иметь больший ТКЕ, в основном применены конденсаторы типов КМ-5 и КМ-6 (конденсаторы 0,47 мкФ - КМ-66, в качестве С9 - С13 можно использовать конденсаторы емкостью 0,047 мкФ и выше). Конденсаторы С7 и С20 должны быть с хорошим диэлектриком, были использованы конденсаторы К73-17 и К73-11 на напряжение 160 В. Полярные конденсаторы - К53-18 или любые другие.
Все детали измерителя, кроме эталонных элементов и батареи питания, расположены на двусторонней печатной плате размерами 65х130мм, на рис. 23,а приведено расположение деталей и проводников на стороне установки микросхем, на рис 23,6 - проводников на другой ее стороне.
Переключатели SA1 (ПГ2-12-6П8Н) и SA2 (ПГ2-10-6П4Н) установлены под микросхемами DD10, DD6, DD1, DD8 на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм. Входные гнезда XS1 и XS2 для вилок диаметром 1,6 мм установлены на боковой стенке корпуса. Переключатели снабжены такими же ручками - барабанами, как и в предыдущих конструкциях, изоляции ручек от оси переключателей не
требуется. Эталонные элементы установлены при помощи трубчатых контактов на стеклотекстолитовой плате с размерами 20 х 65 мм, закрепленной с одной стороны на кронштейне переключателей, с другой стороны - к основной печатной плате через дистанционную втулку высотой 7 мм. В средней части вторая плата прикреплена к одному из винтов переключателя. Такое крепление платы позволяет произвести почти полный монтаж цепей переключателей и эталонных элементов до установки переключателей на основную плату.
Платы измерителя установлены в пластмассовый корпус с габаритами 136 х 72 х 34 мм.
Аккумуляторная батарея изготовлена из элементов двух батарей 7Д-0,125. Аккумуляторы, соединенные между собой приваренной никелевой лентой, сложены двумя "лесенками" по четыре элемента, обмотаны поливинилхлоридной изоляционной лентой и уложены в корпус измерителя под индикатором HG1.
Измеритель целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, за
исключением кронштейна с переключателями и платы с эталонными элементами. Подать напряжение питания 10 В и подбором элементов R1 и С1 установить частоту генератора на элементах DD1.1 и DD1.2, равной 1 МГц с точностью не хуже 2%. Частоту удобно контролировать на выходах счетчиков DD2 - DD5. По осциллографу можно установить частоту генератора, добиваясь неподвижного изображения импульсов 100 Гц с выхода микросхемы DD3 при синхронизации развертки осциллографа от сети.
Установить кронштейн с переключателями и резисторами R5 -R11, произвести весь проводной монтаж. Подобрать емкость конденсатора С7 так, чтобы ограничение треугольного напряжения на диапазоне 20 мкФ при увеличении напряжения питания начиналось при 10...11 В. Подобрать конденсатор, емкость которого известна с точностью не хуже 0,2%, и номиналом 0,15...0,19 мкФ. На диапазоне 200 нФ резистором R20 добиться показаний измерителя, соответствующих емкости конденсатора.
Вывод 3 секции переключателя SA1.5 отключить от резистора R 10 и подключить к резистору R11. Подобрать конденсатор С6 такой емкости, чтобы показания при измерении эталонной емкости на диапазонах 200 нФ и 20 нФ (он превратился в 200 нФ) совпадали. Восстановить подключение вывода 3 переключателя.
Используя точные резисторы с допуском 0,1...0,2% в качестве измеряемых, подобрать емкость конденсатора С3 для получения соответствия показаний прибора номиналам резисторов на диапазонах 2 кОм - 200 кОм. Конденсаторы СЗ и С6 удобно подбирать из нескольких меньшей емкости, полезно подключение подстроечных конденсаторов.
При наличии эталонного конденсатора емкостью 150... 190 пФ можно уточнить величину сопротивления резистора, подключенного параллельно R5, для получения максимальной точности показаний на диапазоне 200 пФ.
На рис. 21 показан конденсатор С4, обеспечивающий диапазоны измерения сопротивлений 2 и 20 МОм, однако пользоваться этими диапазонами неудобно, поскольку требуется тщательное экранирование измеряемого резистора и прибора в целом, а точность измерений невысока. Без ущерба для пользования прибором его можно исключить, а также исключить секцию переключателя SA1.4, что позволит уменьшить число галет переключателя SA1 и использовать в качестве него переключатель ПГ2-11-6П6Н.
При отсутствии измеряемой емкости на диапазонах 200 пФ и 2 нФ за счет емкости монтажа прибор должен показывать около 2 пФ. При измерениях эту величину следует вычитать из получаемого результата.
В режиме измерения индуктивностей в случае использования точных резисторов прибор настройки не требует.
Следует также подобрать номиналы резисторов R14 и R18 так, чтобы запятая Н4 включалась при снижении напряжения питания ниже 8 В.
Прибор можно использовать в качестве генератора однополярных прямоугольных импульсов с амплитудой 10 В и частотой 10 Гц... 100 кГц или треугольных симметричных импульсов с той же частотой в двух верхних по схеме положениях переключателя SA2.
В выключенном состоянии батарея питания подключена к входным гнездам, что позволяет контролировать ее напряжение и заряжать аккумуляторы.
Прибор обладает не очень привычным свойством - при значительном превышении измеряемой величиной установленного диапазона, коротком замыкании контролируемого конденсатора или обрыве резистора или индуктивности он может показать некоторое конечное значение измеряемой величины. Поэтому при неизвестном даже приближенно номинале проверяемого элемента измерение следует начинать с наибольшего предела измерения, уточняя измеряемую величину при переходе с диапазона на диапазон.
Этот недостаток устраняется путем несложной доработки, схема которой приведена на рис. 24. Резистор R18 цепи индикации падения напряжения батареи питания отключен от источника -5 В и
подсоединен к коллектору транзистора VT1. Сопротивление резистора R28 мало по сравнению с R18 и при закрытом транзисторе VT1 не влияет на работу цепи. При отсутствии перегрузки амплитуда переменного напряжения на выходе ОУ DA2 измерителя не превышает 150 мВ, транзистор VT1 закрыт. Если перегрузка невелика, она индицируется как обычно - гашением всех
разрядов, кроме старшего. При большой перегрузке пики напряжения на выходе ОУ DA2 открывают транзистор VT1 и он заряжает конденсатор С23. Напряжение на коллекторе VT1 становится близким к напряжению общего провода, срабатывает индикация разряда батареи - включается десятичная точка Н4 младшего знака индикатора.
Для большей заметности перегрузки к выходу 10 DD9 можно подключить не только точку Н4, но и сегменты 1А, ID, IE, IF, 1G индикатора (выводы 2, 3, 30, 32, 33), в этом случае при перегрузке в
старшем разряде будет индицироваться буква Е или цифра 8. Еще интереснее индикацию разряда можно сделать, если выход 10 микросхемы DD9 подключить к общему электроду индикатора HG1 (выводы 1 и 34), отключив его от выхода F микросхемы. В этом случае при перегрузке или снижении напряжения батареи ниже 8 В все сегменты индикатора инвертируются и считывание показаний становится практически невозможным
Доработку можно провести объемным монтажом, рядом с ОУ DA1 и DA2 достаточно свободного места. Транзистор КТ3107И заменим на любой кремниевый маломощный структуры р-n-р.
При измерении емкостей полярных конденсаторов серий ЭТО, К51 и К52 последовательно с конденсатором следует включать батарею напряжением не менее 2,5 В, плюсом батареи к плюсу конденсатора. Все остальные типы конденсаторов можно проверять без дополнительного источника.
Рис. 20 Принцип работы измерителя RCL
Рис. 21 Принципиальная схема измерителя RCL
Рис. 22 Временная диаграмма работы измерителя RCL
Рис. 23 Печатная плата измерителя RCL со стороны микросхем
Рис. 23 Печатная плата измерителя RCL со стороны печатных проводников
Рис. 24 Доработка измерителя для повышения точности
5. Широкодиапозонные цифровые омметры.
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ОММЕТРЫ
Цифровой мультиметр, описанный выше, не может измерять сопротивления выше 20 МОм. Однако в радиолюбительской практике потребность в этом время от времени возникает. Нередко и точность измерения малых сопротивлений также недостаточна. Поэтому в лаборатории радиолюбителя желательно иметь прибор с более широким диапазоном измерения сопротивлений. Два варианта таких омметров и описано в этом разделе.
Первым прибором можно измерять сопротивления на пределах 200 Ом, 2, 20, 200 кОм, 2, 20, 200 МОм с погрешностью ±(0,3%+ 1 единица младшего разряда) и вдвое большей на диапазоне 2 ГОм. Омметр питается от аккумуляторной батареи 7Д-0,125 и потребляет ток не более 3 мА.
На первых четырех диапазонах принцип работы прибора следующий. Относительно стабильный ток, заданный одним из резисторов R17-R20, протекает через соответствующий образцовый резистор (R9 - R12) и контролируемое сопротивление Rx (рис. 25,а). Отношение падений напряжения на контролируемом и образцовом резисторах измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на микросхеме КР572ПВ5 и индицируется на жидкокристаллическом индикаторе.
На четырех других диапазонах принцип работы мегомметра иной. На измерительный вход АЦП с делителя R1R2 подается относительно стабильное напряжение - около 60 мВ (рис. 25,6). На образцовый вход АЦП напряжение подается с делителя, образованного контролируемым резистором Rx и одним из образцовых
резисторов R21 - R24. При изменении контролируемого сопротивления от максимальной для данного диапазона величины до 0,1 от максимальной падение напряжения на образцовом резисторе изменяется от 30 до 285 мВ. За счет падения напряжения на компенсационных резисторах R 13 - R 16 напряжение, подаваемое на измерительный вход АЦП, уменьшается на величину 0,3...3 мВ, в результате чего отношение напряжений
на измерительном и образцовом входах АЦП оказывается строго пропорциональным измеряемому сопротивлению.
Полярность напряжения, прикладываемого к измерительному входу АЦП в схемах рис. 25,а и б, различная, но это роли не играет.
Схема омметра приведена на рис. 26. Измерительные цепи (см. рис. 25) питаются от разности напряжений батареи питания и
внутреннего стабилизатора -3 В микросхемы АЦП. Нагрузочная способность этого стабилизатора для вытекающего тока невысока, и она увеличена за счет подключения к его выходу резистора R3. Нестабильность этого напряжения не играет никакой роли, поскольку АЦП измеряет отношение напряжений, а не их абсолютную величину. Исходная частота работы АЦП выбрана равной 50 кГц.
Управление запятыми и индикация разряда батареи в приборе выполнены аналогично предыдущим конструкциям.
Омметр имеет отдельные входы для подключения низкоомных (до 200 кОм) и высокоомных (более 200 кОм) резисторов. Включение прибора кнопкой SB1 рекомендуется производить при подключенном к омметру измеряемом резисторе, при другом порядке измерения резко увеличивается время установления показаний.
В приборе в качестве Rl, R2, R9 - R 12, R21 - R24 следует использовать точные резисторы с допуском 0,1...0,2%, например С2-29В. Резистор Rl составлен из точного 10 кОм и подключенного параллельно ему резистора типа МЛТ-0,125 сопротивлением 820 кОм ±10%. Резисторы R9 - R 12 полезно уменьшить на 0,1...0,2% относительно "круглых" величин, указанных на схеме, для этого параллельно R9 и R 10 подключить резисторы 75 и 750 кОм соответственно, а резисторы R11 и R12 составить каждый из двух одинаковых с номиналами 4,99 и 49,9 кОм соответственно. Необходимая поправка на диапазонах 2 МОм - 2 ГОм учтена при выборе номинала резистора Rl. К точности остальных резисторов высоких требований не предъявляется, они могут быть использованы с допуском 10%.
Конденсаторы С6 и С9 должны быть с высококачественным диэлектриком (лучше пленочные групп К72 или К73). Автором использованы конденсаторы К73-16 и К73-17. Конденсаторы С1 и С4 - К53-18 или любого другого типа, остальные конденсаторы КМ-5 и КМ-6.
Печатная плата прибора разработана на основе платы описанного выше мультиметра (рис. 11), из которой использован рисунок соединений микросхем DD1, DD2, индикатора HG1 и подключения резисторов и конденсаторов, необходимых для функционирования микросхемы DD2. Переключатель SA1 типа ПГ2-7-12ПЗН установлен на плату на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм, со стороны, противоположной стороне установки микросхем. Резисторы Rl - R3, RIO - R24 установлены частично на плате, частично на выводах переключателя.
Арматуру переключателя, а также его неиспользуемые контакты следует соединить с общим проводом (цепь -3 В). При монтаже цепей переключателя в качестве SA1.1 лучше использовать максимально
удаленную от ручки секцию, в качестве SA1.2 - среднюю, в качестве SA1.3 - ближнюю к ручке.
При использовании рекомендованных типов резисторов настройка прибора заключается в подборе резистора R27 для Остановки частоты генератора, равной 50 кГц, и подборе резисторов R4, R8 для включения запятой Н4 при снижении напряжения питания до 7,5...7,8 В.
Недостатком прибора является большое время установления показаний на диапазоне 2 ГОм, достигающее 20 с. Уменьшить время установления можно, если цепь зарядки конденсатора образцового
напряжения микросхемы АЦП дополнить операционным усилителем 140УД24 [5] с транзисторами МОП на входе, самостабилизированным прерыванием, как показано на рис. 27.
Как расширить пределы измерений в сторону малых сопротивлений? Казалось бы очень просто - добавить два положения переключателя пределов измерения SA1 и установить в 10 и 100 раз меньшие по сопротивлению эталонные и токозадающие резисторы, нежели на диапазоне 200 Ом. Однако сопротивление соединительных проводов, нестабильное сопротивление контактов переключателей и зажимов, при помощи которых будет подключаться измеряемый резистивный элемент, не позволят реализовать необходимую точность.
На помощь приходит четырехзажимный метод измерения сопротивлений (рис. 28). Через измеряемое сопротивление при помощи одной пары зажимов
пропускается относительно стабильный ток, задаваемый источником питания и одним из резисторов R31, R32. Падение напряжения на контролируемом сопротивлении снимается при помощи второй пары зажимов и подается на измерительный вход АЦП. При такой схеме измерений падение напряжения на контактах переключателей, зажимах и проводах не влияет на результат. Поскольку АЦП измеряет отношение напряжений на контролируемом сопротивлении и образцовом (одно из R29, R30), не оказывает влияния и точность задания тока в цепи.
Схема коммутации цепей омметра приведена на рис. 29, нумерация вновь введенных элементов продолжает имеющуюся на рис. 26. Измерительные цепи этого варианта омметра также питаются от разности напряжений батареи питания и внутреннего стабилизатора -3 В микросхемы КР572ПВ5. Нагрузочная способность этого стабилизатора для вытекающего тока увеличена за счет подключения к его выходу эмиттерного повторителя на транзисторе VT1.
Дополнительная секция SA1.4 исключает суммирование сопротивления контактов переключателя с сопротивлением эталонных резисторов R29, R30.
Резисторы R2 и R33 шунтируют зажимы 1 и 4, 3 и 5 соответственно. Это никак не отражается на точности, поскольку их сопротивление намного больше, чем контактов и проводов, но существенно упрощает коммутацию. Кроме того, наличие этих резисторов позволяет проводить измерения на диапазонах 2, 20, 200 кОм используя только два зажима, подключенные к гнездам 4 и 5 разъема XS1.
Соединение контакта 2 розетки XS2, расположенного между контактами 1, 4 и 3, 5 и "экранирующего"их по постоянному току, со входом + Uобр АЦП уменьшает влияние токов утечки разъема на точность измерения на высокоомных пределах.
Как указывалось выше, эталонные резисторы диапазонов <200 кОм полезно уменьшить на 0,1...0,2% относительно круглых величин, указанных на схеме. Для этого параллельно резисторам R29 и R30 (их допуск должен быть не хуже 0,1...0,2%) следует подключить резисторы 750 Ом и 7,5 кОм соответственно.
Переключатель SA1 - типа ПГ2-8-12П4Н. Транзистор VT1 -любой структуры n-р-n с мощностью рассеяния не менее 350 мВт и коэффициентом передачи тока базы h21э не менее 100 при токе коллектора 100 мА.
В связи с большим потреблением тока (до 100 мА) целесообразно в качестве источника питания омметра использовать сетевой стабилизированный напряжением 9...10 В. Можно воспользоваться адаптером 12 В 300 мА, дополнив его стабилизатором на микросхеме КР142ЕН8А(Г) и двух керамических конденсаторах емкостью 1 мкф, расположенных рядом с ней.
Рекомендации по выбору элементов, рисунку печатной платы, конструктивному оформлению, налаживанию - те же, что и для описанного ранее варианта прибора. В качестве XS1 и XS2 можно использовать стандартные звукотехнические разъемы ОНЦ-ВГ, имеющие соответствующее число гнезд. К четырем контактам ответной вилки следует подпаять разноцветные провода с зажимами "крокодил" на концах.
При измерении на диапазонах до 2, 20, 200Ом вилку включают в розетку XS1, контролируемый резистор подключают четырьмя зажимами. На пределах 2, 20 и 200кОм используют два зажима, подключенные к контактам 2 и 3. На диапазонах 2 МОм - 2ГОм вилку переключают в розетку XS2 и используют зажимы, подключенные к контактам 1 и 4. Источник питания лучше включать после подсоединения контролируемого резистора - это уменьшит время установления показаний.
Повысить удобство пользования прибором можно, изготовив зажимы с изолированными губками. Для этого у одной из губок "крокодила" спилить зубья и на их место напаять пластинку из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Роль одного из зажимов будет выполнять губка, оставшаяся с зубьями, роль второго - поверхность пластинки. Оставшиеся зубья следует подровнять так, чтобы при измерениях они не касались вставки. Такими зажимами можно пользоваться на всех пределах измерений.
При использовании сетевого источника питания необходимо (а при батарейном питании - очень желательно), защитить входы микросхемы DD2 (выводы 30, 31, 35, 36) как указано в конце первого раздела этой главы.
Рис. 25 К пояснению принципа работы омметра
Рис. 26 Принципиальная схема омметра
Рис. 27 Включение операционного усилителя 140УД24
Рис. 29 Схема коммутации цепей омметра
6. Цифровой измеритель параметров транзисторов.
ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ
Описываемый прибор позволяет измерять коэффициент передачи тока базы П21э в трех диапазонах с верхними пределами 200, 2000, 20000 при токе коллектора, устанавливаемом дискретно величиной 0,1; 0,3; 1 и т. д. до 300 мА. Кроме того, возможно измерение обратного тока коллектора также на трех диапазонах с верхними пределами 20, 2 и 0,2 мкА, разрешающая способность на низшем -0,1 нА. Определение П21э производится при напряжении коллектор-база около 1,5 В, обратного тока коллекторного перехода - при 5 В.
Принцип измерения П21э проиллюстрирован на рис. 30. Проверяемый транзистор VТx включен по схеме с общей базой. Его эмиттерный ток определяется относительно большим сопротивле
нием токозадающего резистора, установленного в цепь эмиттера (один из резисторов R 15 - R23) и напряжением источника питания. В цепь эмиттера включен также токоизмерительный резистор (R 11-R14). В цепи базы в диагонали диодного моста VD1 установлен резистор, падение напряжения на котором пропорционально току базы (R1 - R6).
Отношение напряжения на резисторе в цепи эмиттера к напряжению на резисторе в цепи базы пропорционально коэффициенту передачи тока в схеме с общим коллектором, он на единицу больше аналогичного коэффициента в схеме с общим эмиттером. Это отношение измеряется АЦП на микросхеме КР572ПВ5. Токоизмерительные резисторы подобраны такого сопротивления, что падение на эмиттерном резисторе составляет около 50 или 150 мВ, на базовом - 25...1500 мВ в зависимости от коэффициента передачи тока базы h21э и диапазона. Диодный мост необходим для того, чтобы можно
было проверять транзисторы различной структуры без переключения входов Uобр АЦП. Кроме того, падение напряжения на диодах моста обеспечивает напряжение коллектор-база на указанном уровне 1,5 В. Напряжение на входе Uвх АЦП может менять знак, поэтому в эмиттерной цепи диодный мост не требуется.
При измерении обратного тока коллекторного перехода Iко между коллектором и эмиттером проверяемого транзистора VTx прикладывается напряжение 5 В с делителя R7R15 (рис. 31). Падение напряжения на токоизмерительных резисторах R11 - R 14 пропорционально измеряемому току. На вход Uобр АЦП в этом режиме подается напряжение 100 мВ. Роль делителя состоит не только в снижении напряжения, подаваемого на транзистор, до 5 В и ограничении тока в случае установки неисправного транзистора, но и в приведении синфазного напряжения на входах Uвx АЦП к половине напряжения питания. Естественно, что в этом режиме можно проверять и обратные токи диодов.
Полная схема измерителя приведена на рис. 32 и 33. Переключатель SA1 служит для выбора тока эмиттера проверяемого транзистора и включения режима измерения обратного тока коллек
тора Iко, переключатель SA2 определяет диапазоны измерений h21э и Iко, положение SA3 определяется структурой транзистора. Конденсаторы С1 и С2 необходимы для устранения генерации, иногда возникающей при проверке высокочастотных транзисторов, С3 устраняет сетевые наводки при измерении обратного тока коллекторного перехода. Включение микросхемы КР572ПВ5 и индикатора ИЖЦ5-4/8 достаточно стандартное, отличие лишь в том, что входы Uвх и Uобр не связаны с общим проводом аналоговых цепей (вывод 32 микросхемы). Частота тактового генератора - 40 кГц.
Почти все элементы измерителя (в том числе и переключатели SA1 - SA3) смонтированы на печатной плате размерами 65 х 130 мм (рис. 34,а, сторона установки микросхем, рис. 34,6, сторона установки переключателей и конденсаторов С6 - С8). Резисторы, показанные на рис. 32, в основном распаяны на выводах переключателей SA1 и SA2.
Резисторы R1 - R6, R8 - R 14 следует подобрать с точностью не хуже 1%. В описываемой конструкции в основном использовались резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт. Резисторы R7, R15 -R23 использованы типа МЛТ с допуском 5%, Подстроечный резистор R50 - СПЗ-19а.
Токоизмерительные резисторы Rl-R6nRll-R14He обязательно должны быть точно тех сопротивлений, которые указаны на схеме рис. 32. Например, они могут быть кратны 47 или 56, но обязательно все.
Конденсаторы С6 - С8 использованы типа К73-17 на рабочее напряжение 160 В. Возможно применение и других конденсаторов, обозначение которых начинается с К71 или К73, например К73-9, К73-11, К73-16. Полярные конденсаторы типа К53-4 (С4, С 12), остальные КМ-5 или КМ-6.
Переключатель SA1 типа ПГ7-35-16П5Н, SA2- ПГ2-11-6П6Н, SA3 - ПГ2-13-4ПЗН. На принципиальной схеме дана нумерация контактов, приведенная на переключателях.
Микросхему К561ЛП2 можно заменить на КР1561ЛП14, а при изменении рисунка печатной платы - на 564ЛП2.
Все элементы измерителя, включая блок питания на основе трансформатора ТПП220-127/220-50, все шесть вторичных обмоток которого соединены последовательно, установлены в пластмассовую коробку размерами 70 х 95 х 150 мм.
Настройку прибора следует начать с установки частоты тактового генератора АЦП, равной 40 кГц, подбором резистора R57. Для этого осциллографом, синхронизированным от сети, контролируют часто-
ту импульсов на выходе F микросхемыDD2 (вывод 21). Изображение импульсов на экране должно быть практически неподвижным, при этом их частота составляет 50 Гц.
Необходимо также откалибровать измеритель тока. Проще всего установить на движке подстроечного резистора R51 относительно общего провода напряжение 100 мВ, контролируя его точным вольтметром с входным сопротивлением не менее 1 МОм.
Для примера на рис. 35 приведены снятые этим прибором зависимости коэффициента передачи тока базы h21э от тока коллектора случайно взятых образцов различных транзисторов, в том числе и для двух типов транзисторов со статической индукцией (КП948А и КП959А). Два составных транзистора различной структуры КТ972А и КТ973А оказались практически неотличимыми по своим зависимостям h21э от тока коллектора.
Измеренные обратные токи коллектора для кремниевых маломощных транзисторов составляли 0,1...0,3 нА, для мощных - 1...10 нА. Для транзисторов серий КТ315 и КТ361 обнаружен заметный
фотоэффект, приводящий к увеличению обратного тока до 10 нА при освещении транзистора рассеянным светом настольной лампы.
При использовании прибора следует помнить, что показания h21э менее 5% от предельного значения недостоверны, поскольку напряжение на выходе интегратора АЦП при этом выходит за пределы линейного участка. При обрыве коллекторного перехода транзистора ток базы равен току эмиттера, и на пределах 100 и 300 мА могут выйти из строя токоизмерительные резисторы. Избежать этого можно увеличением их мощности рассеяния до 0,5 и 1 Вт соответственно. Можно также принять за правило проверку мощных транзисторов начинать при токе коллектора не более 50 мА, переходя при их исправности к большим значениям тока.
Входы Uобор микросхемы КР572ПВ5 (выводы 35, 36) следует защитить, как указано в конце первого раздела этой главы.
Рис. 30 Принцип измерения коэффициента передачи тока базы h21э
Рис. 32 Принципиальная схема коммутации цепей измерителя
Рис. 33 Измерительная часть прибора
Рис. 34 Печатная плата измерителя со стороны печатных проводников
Рис. 34 Печатная плата измерителя со стороны установки микросхем
Рис. 35 Зависимость коэффициента передачи тока базы h21э от тока коллектора различных транзисторов
7. Простой цифровой термометр.
ПРОСТОЙ ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР
Термометр может измерять температуру от -60 до + 100°С, погрешность не превышает 0,2°С в диапазоне 0...40°С и в два раза больше за его пределами. Рабочая температура корпуса прибора 15...25°С. Термометр питается от встроенной батареи 7Д-0,125Д и потребляет ток не более 2 мА.
Основой предлагаемого устройства служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим индикатором HG1 (рис. 36). В качестве параметрического датчика использован кремниевый диод VD1, для которого температурный коэффициент напряжения (ТКН) примерно равен -2 мВ/°С. Падение напряжения на прямосмещенном диоде при токе 0,1...1 мА имеет величину в пределах 550...650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.
Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения.
Делитель из резисторов R4, R7, R10 - R13 снижает напряжение до 600 мВ, что по величине соответствует напряжению на диоде VD1 при температуре 0°С; подстроечный резистор R10 обеспечивает его небольшую регулировку. Делитель формирует также напряжение 200 мВ, соответствующее разности напряжений, снимаемых с диода VD1 и движка резистора R11 при показании термометра 100°С. Это напряжение подается на входы Uобр микросхемы DD2, оно может быть тоже подстроено резистором R 12.
Элементы R5, R6, С2 определяют частоту задающего генератора (50 кГц), цепочка R8C3 сглаживает наводки и шумы и способствует
защите от статического электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор R 14 и конденсатор С9 являются элементами интегратора микросхемы, С10 входит в цепь автокоррекции нуля.
Конденсаторы С1, С5, С7, С8 - блокировочные в цепях питания. Конденсатор С4 устраняет наводки переменного напряжения с частотой сети, которые при его отсутствии детектируются на нелинейности диода VD1 и существенно искажают показания.
Микросхема DD1 используется для постоянного включения запятой Н3 и контроля разрядки батареи. Особо следует отметить назначение резистора R9. Дело в том, что нестабильность источника опорного напряжения микросхемы DD2 составляет примерно 0,01 %/°С и 0,1 % при снижении напряжения свежезаряженной батареи 7Д-0.125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка). Для использования в цифровом мультиметре такая нестабильность допустима. В описываемом термометре это изменение опорного напряжения приводит к
ошибке в 0,6 мВ или в 0,38°С, что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора R9, уменьшив ошибку до 0,1°С.
Все элементы конструкции, кроме батареи, выключателя и датчика, установлены с обеих сторон двусторонней печатной платы из фольгированного стеклотекстолита. На рис. 37,а приведено расположение деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 37,6 - с противоположной стороны. Конструктивные особенности платы - те же, что и платы мультиметра.
В качестве датчика температуры практически пригоден любой кремниевый маломощный диод, предпочтение следует отдать приборам с наименьшими габаритами. Конденсаторы С6 и С9 - К73-17 с допуском ±10% на рабочее напряжение 160 В, возможно применение и других пленочных конденсаторов. Полярный конденсатор С4 - К53-4, остальные - КМ-5 или КМ-6. Резисторы R7, Rll, R13, входящие в делители, желательно использовать стабильные, например С2-29В, резисторы RIO, R12 - СПЗ-19а.
Плата установлена в пластмассовый корпус промышленного изготовления с габаритами 30 х 72 х 132 мм.
Оформление датчика температуры зависит от предполагаемых областей использования
термометра. Возможен, например, вариант, показанный на рис. 38. Для его изготовления берут стеклянную трубку 1 диаметром 4...6 мм, конец ее, нагретый на огне газовой горелки или спиртовки, оттягивают для уменьшения диаметра примерно до 3...3.5 мм. Затем тонкую часть трубки следует разломить и запаять на том же пламени.
Один из выводов диода 6, используемого как датчик, следует подогнуть к его корпусу, к обоим выводам подпаять два провода 2 марки МГТФ-0,07 длиной по 0,5 м, одеть на каждый из них по два отрезка (4 и 5) поливинилхлоридной или фторопластовой трубки. Диод с проводами вставить в стеклянную трубку и закрепить провода в ее открытом конце каплей эпоксидного клея 3. Для улучшения теплового контакта трубки и диода перед сборкой
датчика в утонченную часть трубки с помощью тонкой трубки ввести небольшое количество жидкого масла, например моторного.
Возможен и такой вариант. К выводам диода подпаивают провода, затем на них одевают поливинилхлоридную или фторопластовую трубку длиной около 300 мм так, чтобы диод был расположен с небольшим смещением относительно ее середины, после чего трубку складывают пополам и концы туго обматывают ниткой, предварительно заполнив их клеем. Если предполагается использовать термометр для измерения температуры воздуха в помещении, никакого специального оформления датчика не требуется - вполне достаточно установить его в корпусе прибора, в котором сделать вентиляционные отверстия.
Налаживание термометра несложно. Вначале подбирают резистор R5 для обеспечения частоты задающего генератора микросхемы DD2 равной 50 кГц. Контроль производят на выводе 21 микросхемы - на нем частота должна составлять 62,5 Гц.
Поместив датчик в таящий лед или снег, подстроечным резистором R10 следует установить нулевые показания на индикаторе, при необходимости подобрать резистор R4. Затем опустив датчик в воду с температурой 35...40°С, контролируемой точным термометром, резистором R12 установить соответствующие показания на индикаторе. Использование кипящей воды для калибровки нежелательно, так как температура кипения зависит от атмосферного давления.
Подключив термометр к источнику регулируемого напряжения, подобрать резистор R9 так, чтобы при изменении напряжения в пределах от 8 до 9,8 В показания отличались не более чем на 0,1°С. После этого надо уточнить настройку в соответствии с предыдущим абзацем при напряжении питания 8,8 В.
Существенно повысить точность цифрового термометра и стабильность его показаний при изменении напряжения питания и температуры корпуса прибора можно, использовав интегральный датчик температуры К1019ЕМ1 [б]. Датчик представляет из себя двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением, падение напряжения на котором при токе 1 мА и температуре 0°С составляет 2932 мВ и изменяется пропорционально абсолютной температуре корпуса датчика.
Абсолютный ТКН такого датчика, в отличие от диода, положителен и составляет 10 мВ/°С. Сама по себе установка датчика К1019ЕМ1 вместо диода не решает проблем с погрешностями, связанными с зависимостью опорного напряжения от температуры и напряжения питания, поскольку относительные ТКН датчика и диода практически равны и отличаются только знаком (+ 0,3%/°С и -0,3%/°С соответственно).
Решением проблемы, связанной с нестабильностью опорного напряжения, может быть одновременное использование двух рядом расположенных датчиков - микросхемы К1019ЕМ1 и кремниевого диода. На рис. 39 приведена возможная схема их совместного включения.
Датчик температуры DA1 питается током 1 мА от генератора тока на транзисторе VT1 и светодиоде HL1, а диод VD1 -током 100 мкА от аналогичного генератора на том же светодиоде и транзисторе VT2. Делителем R 19 - R21 напряжение с датчика DA1 уменьшено примерно в пять раз и приведено к напряжению на диоде VD1 при температуре 0°С. Разность этих величин, подаваемая на измерительный вход
АЦП, изменяется с ТКН 4 мВ/°С. Температуре 100°С соответствует напряжение 400 мВ, такой же величины должно быть и напряжение, подаваемое на образцовый вход АЦП DD2, оно снимается с делителя R16 - R18.
Теперь нестабильность опорного напряжения микросхемы DD2 не сказывается на величине сигнала, подаваемого на измерительный вход АЦП, а нестабильность образцового напряжения в 0,1% приводит к ошибке 0,1°С при 100°С, причем не влияя на показания при 0°С. Поскольку образцовое напряжение составляет 400 мВ, сопротивление резистора R 14 интегратора должно быть увеличено до 220 кОм.
Настройка этого термометра заключается в установке подстроечным резистором R20 нулевого показания при температуре 0°С и показаний, соответствующих температуре, близкой к верхней границе используемого диапазона, подстроечным резистором R 17.
Недостатками такого варианта термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.
Рис. 36 Принципиальная схема термометра
Рис. 37 Печатная плата термометра
Рис. 38 Конструкция датчика температуры
Рис. 39 Схема совместного включения микросхемы К1019ЕМ1 и кремниевого диода
8. Об объединении измерительных приборов.
ОБ ОБЪЕДИНЕНИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Отметим вначале, что все приборы, кроме измерителей емкости и RCL, не чувствительны к частоте тактового генератора, eсли она выбирается, конечно, из рекомендованного ряда и производится перерасчет номиналов элементов. Для перехода с частоты 50 на 40 кГц достаточно увеличить сопротивление резистора Rинт на 20%, для частоты 100 кГц - уменьшить емкости Синт, Собр, Сак в два раза.
Поэтому при сохранении номиналов элементов измерителя RCL и частоты его тактового генератора 40 кГц с ним можно объединить любой другой прибор, кроме измерителя емкости. С измерителем емкости можно объединить любую другую конструкцию, кроме измерителя RCL, используя его номиналы (с приведенным выше уточнением для Синт и Сак) и частоту тактового генератора 100 кГц.
При отсутствии микросхемы КР572ПВ5 или жидкокристаллического индикатора описанные автором измерители можно собрать с использованием микросхемы КР572ПВ2 и полупроводниковых индикаторов с общим анодом, как, например, это сделано в [2, З]. Все рекомендации статьи применимы и для приборов на основе этой микросхемы. Отметим, что в мультиметре [2, 3] применено симметричное питание микросхемы АЦП, поэтому использование номинала Сит=0,1 мкФ вполне обосновано.
В приборах на основе КР572ПВ2 для питания светодиодных индикаторов следует применять отдельный источник напряжением 4...5 В на ток около 100 мА. Его минусовый вывод подключается к выводу 21 микросхемы (цифровой общий провод), который можно и - не соединять с общим аналоговым проводом.
Отметим, что при использовании светодиодных индикаторов их суммарный ток, протекающий через микросхему АЦП, зависит от индицируемого числа. Поэтому в процессе измерений изменяется температура кристалла микросхемы, что заметно изменяет напряжение опорного источника и снижает точность показаний. Именно поэтому автор в [2, 3] использовал отдельный источник опорного напряжения.
Вариант подключения вакуумных люминесцентных индикаторов к микросхеме КР572ПВ2А [7] приведен на рис. 40 (нумерация элементов условная). Преобразователь напряжения для питания нитей накала индикаторов возбуждается импульсами тактового генератора микросхемы DD1 (снимаются с ее вывода 38). Для увеличения яркости свечения индикаторов HG1-HG4 (при напряжении 9 В она может оказаться недостаточной, особенно при ярком внешнем освещении) в преобразователь введена цепь вольтодобавки (VD2, С6, обмотка I трансформатора Т1). Эта цепь повышает напряжение между катодами и анодами индикаторов, что заметно
увеличивает яркость их свечения. Потребляемый ток при этом возрастает незначительно.
Магнитопровод трансформатора Т1 - ферритовое (2000НН) кольцо типоразмера К10х6х4,5. Обмотки I, II и IV наматывают одновременно в три провода (150 витков ПЭЛШО 0,07), после чего конец одной из обмоток соединяют с началом любой другой (это будут обмотки II и IV), оставшуюся используют в качестве обмотки I. Обмотку III (16 витков) наматывают поверх остальных проводом ПЭВ-2 0,25.
Конденсаторы С7 и С8 - оксидные К53-1 (можно применить К50-6, К50-16 и т. п.), резисторы - МЛТ-0,125. Входы неиспользуемых элементов микросхемы DD2 необходимо соединить с положительным или отрицательным выводом стабилитрона VD3.
Рис. 40 Подключение вакуумных люминесцентных индикаторов к микросхеме КР572ПВ2А
8. Радиоэлектронные устройства в быту
Радиоэлектронные устройства в быту .
1. Симисторные регуляторы мощности.
СИМИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ МОЩНОСТИ
В радиолюбительской литературе можно найти немало описаний различных регуляторов мощности и автоматических устройств, использующих в качестве выходного мощного ключа тринистор. Тринистор в цепи переменного тока неудобен тем, что требует питания через выпрямительный мост, и при большой мощности диоды моста должны быть установлены на радиаторы. Более удобен симистор.
Симистор, как и тринистор, имеет три электрода. Его основное отличие - возможность коммутации переменного тока. Ток через симистор может протекать в любом направлении - как от анода к катоду (как в тринисторе), так и в противоположную сторону.
Симисторы серии КУ208 при положительном напряжении на аноде могут включаться импульсами любой полярности, подаваемыми на управляющий электрод относительно катода, а при отрицательном напряжении на аноде - импульсами только отрицательной полярности.
Использование симисторов в регуляторах мощности и различных автоматических коммутаторах затруднено из-за необходимости обеспечения сравнительно большого тока управляющего электрода - 150 мА для симисторов серии КУ208. Управление симистором постоянным током требует большой мощности, а при импульсном управлении необходим формирователь, обеспечивающий короткие импульсы в момент прохождения сетевого напряжения через "нуль" и имеющий общий вывод с одним из сетевых проводов.
В описываемом далее устройстве регулирование мощности в нагрузке осуществляется изменением числа полупериодов сетевого напряжения, подаваемого на нее в течение некоторого интервала времени, поэтому регулятор можно использовать для работы лишь с такими нагрузками, как, например, электроплитка, камин, паяльник и другими подобными электронагревательными приборами.
Включение симистора происходит вблизи момента перехода сетевого напряжения через "нуль", что снижает уровень помех по
сравнению с регуляторами, в которых использован фазоимпульсный метод регулирования.
Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 41. Диоды VD1 - VD2, стабилитрон VD3, конденсаторы С1 - С3 и резистор R1 образуют источник питания устройства напряжением около 10 В (при максимальном выходном токе 18...20 мА). Оригинальным является формирователь импульсов частотой 100 Гц, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R2 - R4. При положительном полупериоде сетевого напряжения на верхнем (по схеме) сетевом проводе транзистор VT1, включенный по схеме с общим эмиттером, открыт и насыщен - напряжение на его коллекторе близко к эмиттерному (транзистор VT2 закрыт). При отрицательном полупериоде закрыт транзистор VT1, но открыт и насыщен транзистор VT2, включенный по схеме с общей базой, и напряжение на его коллекторе имеет тот же знак и амплитуду.
Лишь в моменты, когда сетевое напряжение по абсолютному значению меньше 40... 50 В, оба транзистора закрыты и напряжение на их коллекторе близко к напряжению на выводе 7 микросхемы DDL При этом разрешена работа генератора импульсов на элементax DD1.3, DD1.4. Импульсы частотой около 5 кГц с его выхода дифференцируются цепью C6R8, усиливаются транзистором VT3 и включают симистор VS.1.
Однако работой этого генератора управляет и генератор, собранный на элементах DD1.1 и DD1.2. Частота формируемых им импульсов - около 2 Гц, а скважность можно регулировать переменным резистором R5 от 1,01 до 100. В одном крайнем положении движка этого резистора на нагрузке выделяется почти полная мощность, в другом - нагрузка обесточена.
При напряжении низкого уровня на выходе элемента DD1.2 разрешена работа генератора на элементах DD1.3 и DD1.4, а при высоком запрещена. В результате при перемещении движка резистора R5 из одного крайнего положения в другое изменяется соотношение числа полупериодов напряжения сети, подаваемых и
не подаваемых на нагрузку, подключенную к разъему X1. А так как одному периоду работы управляющего генератора соответствует около 50 полупериодов сетевого напряжения, дискретность регулирования равна примерно 2 %.
Все элементы этого варианта регулятора, кроме симистора VS1, смонтированы на печатной плате размерами 62,5 х 50 мм (рис. 42). Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-16 (С1), К50-6 (СЗ), КМ-6 (остальные), переменный резистор (R5) СПЗ-4аМ или СПЗ-26М. Диоды VD1, VD2, VD4 и VD5 -маломощные кремниевые, стабилитрон VD3 - на напряжение стабилизации 10...12 В. Микросхема К561ЛЕ5 заменима на:
К176ЛЕ5 или КР1561ЛЕ5. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-n-р, транзистор VT3 - средней или большой мощности структуры n-р-n с допустимым коллекторным током 150 мА.
Конденсатор К73-16 (С1) можно заменить на любой металлопленочный емкостью 0,33...0,68 мкФ на номинальное напряжение не менее 250 В или на бумажный или металлобумажный такой же емкости на номинальное напряжение не менее 400 В. Корпус резистора R5 должен быть соединен с плюсовым проводником цепи питания микросхемы, что необходимо для его экранирования. Симистор КУ208Г (или КУ208В) установлен на штыревом теплоотводе размерами 80 х 60 х 20 мм.
Предварительно симистор целесообразно проверить на значение тока спрямления, включив его по схеме, приведенной на рис. 43.
Напряжение питания анодной цепи симистора должно соответствовать номинальному для лампы накаливания EL1, рассчитанной на рабочий ток не ,менее 150 мА. Плавно увеличивая ток управляющего электрода симистора (резистором R1), измеряют его значение непосредственно перед включением
лампы. Паспортное значение тока спрямления при комнатной температуре равно 150 мА. Для регулятора следует подобрать симистор с током спрямления не более 70 мА (из проверенных автором 15 симисторов лишь один не соответствовал этому требованию).
Налаживают регулятор следующим образом. Параллельно конденсатору С1 подсоединяют резистор сопротивлением 220...330 Ом и подключают устройство вместо сети к внешнему источнику постоянного тока напряжением 12...15 В. Его подбирают таким, чтобы потребляемый ток был около 20 мА. Установив движок резистора R5 в среднее положение, с помощью осциллографа или головных телефонов (что очень удобно) контролируют на резисторе R9 наличие пачек импульсов частотой около 5 кГц и периодом повторения пачек близким к 0,5 с. При перемещении движка переменного резистора длительность пачек должна изменяться практически от нуля до непрерывной последовательности импульсов.
Затем снимают дополнительный резистор, к разъему XI подключают настольную лампу (установка симистора на теплоотвод не обязательна) и на регулятор подают напряжение сети. При перемещений движка резистора R5 лампа должна вспыхивать с частотой около 2Гц, а длительность ее вспышек - изменяться от нуля до непрерывного свечения. Устройство можно упростить, если в нем использовать микросхему К5б1ТЛ1 - четыре триггера Шмитта, каждый из которых выполняет функцию элемента 2И-НЕ. Схема соответствующей части такого варианта устройства показана на рис. 44,а, а фрагмент рисунка монтажной платы, в остальном аналогичной предыдущей, - на рис. 44,6. Источник питания и формирователь импульсов на транзисторах VT1, VT2 остаются без изменений.
Последовательность прямоугольных импульсов низкого уровня, соответствующих моментам нулевого напряжения сети, поступает на нижний по схеме вход элемента DD1.4 через дифференцирующую цепь C5R6. Входные диоды элемента подавляют отрицательные продифференцированные импульсы, а положительные проходят на базу транзистора VT3 - усилителя тока - и далее на управляющий
электрод симистора VS1. Длительность управляющих импульсов -около 12 мкс.Они открывают симистор VS1 в начале полупериода.
Прохождение импульсов через элемент DD1.4 разрешает выходной сигнал генератора с регулируемой скважностью, собранный на элементе DD1.1.
На рис. 45 приведены схема варианта регулятора с фазоимпульсным управлением симистором и чертеж соответствующего ему участка монтажной платы. Такой регулятор хоть и создает помехи радиоприему, зато позволяет регулировать напряжение питания таких нагрузок, как, например, лампа накаливания, электродвигатель переменного тока.
При прохождении сетевого напряжения через "нуль" импульс отрицательной полярности с выхода формирователя на, транзисторах VT1 и VT2 (на схеме рис. 45,а не показаны) , инвертируется элементом DD1.1 и, через эмиттерньй повторитель на, транзисторе VT3 заряжает конденсатор С4 практически до напряжениея источника питания. Разряжается конденсатор через резисторы R5-R7. При снижении напряжения на нем до порогового элементы DD 1.2, и DD1.3 переключаются, спад импульса с выхода элемента DD1.3 дифференцируется цепью C5R8 и в виде импульса длительностью около 12 мкс через инвертор DD1.4 и транзистор VT4 включает симистор VS1.
Переменным резистором R6 можно регулировать длительность разрядки конденсатора С4, изменять момент включения симистора и эффективное напряжение на нагрузке. Резистор R5 исключает перегрузку транзистора VT3. Подбором резистора R7 можно добиться, чтобы максимальному сопротивлению резистора R6, работающего как реостат, соответствовало нулевое напряжение на нагрузке.
Конденсатор С4 должен быть бумажным или пленочным; автор использовал К73-17 на напряжение 250 В. Транзистор VT3 должен допускать обратное напряжение на эмиттерном переходе не менее напряжения стабилизации стабилитрона VD3. Пригодны транзисторы серии КТ201 с буквенными индексами А, Б, AM, БМ, а при использовании в источнике питания стабилитрона VD3 на напряжение стабилизации 10 В - с индексами В-Д, ВМ-ДМ. Можно также использовать любой кремниевый маломощный транзистор структуры n-р-n, включив последовательно с его эмиттерным переходом кремниевый маломощный диод.
Вместо переменного резистора R6 можно установить, например, биполярный или полевой транзистор, фотодиод или фоторезистор оптопары. В таком случае регулятор может быть использован в автоматических устройствах типа выключателя с плавным включением лампы накаливания или мощного коллекторного электродвигателя.
Во всех описанных здесь вариантах устройств отсутствуют резисторы, ограничивающие выходной ток элемента, управляющего выходным транзистором, и ток управляющего электрода симистора. Из-за малой длительности импульсов этого тока такое включение совершенно безопасно для радиоэлементов.
При налаживании любого варианта регулятора и его практическом использовании следует помнить, что все его элементы, включая вал переменного резистора, находятся под напряжением сети. Поэтому регулятор должен быть помещен в корпус из изоляционного материала, а переменный резистор - снабжен ручкой из изоляционного материала с закрытым стопорным винтом.
Описанные симисторные регуляторы мощности при работе с мощной нагрузкой вызывают мигание осветительных ламп, включенных .в ту же сеть. Это происходит из-за периодического включения и выключения нагрузки с частотой порядка одного герца. Особенна это заметно, если одновременно через такие регуляторы питается несколько мощных потребителей энергии. Минимальное мигание ламп может обеспечить описываемый далее регулятор.
Рассмотрим, что происходит, если два описанных выше устройства одновременно регулируют мощность в нагрузках, например по 1 кВт каждая. На диаграмме 1 рис.46 показана зависимость от времени для мощности, потребляемой одной нагрузкой, на диаграмме 2 - другой, на диаграмме 3 - суммарная мощность. Видно, что в различные моменты времени от сети может потребляться мощность 2 кВт, 1 кВт или не потребляться никакая. Соответственно, лампы накаливания, включенные в ту же сеть, будут мигать с тремя уровнями яркости. Если же оба регулятора будут работать синхронно и противофазно, уровней потребления мощности будет только два - или 1 кВт и 2 кВт (рис. 47,а), или 1 кВт и отсутствие потребления (рис.47,б). Соответственно, у ламп накаливания будет только два уровня яркости при мигании, что менее заметно.
Схема регулятора приведена: на рис. 48. На: схеме не показаны узел питания регулятора и цепи формирования импульсов в моменты перехода сетевого напряжения через нуль, полностью повторяющие предыдущие конструкции. Триггер Шмитта на элементах DD1.1 и DD1. Т и резисторе R5 формирует крутые фронты импульсов. Положительный перепад, соответствующий началу полупериода, дифференцируется цепочкой C5R19 и в виде короткого импульса положительной полярности подается на выводы 2 и 5 элементов DD1.3 и DD1.4.
Прохождением импульсов через них управляют генератор треугольного напряжения на элементах DD2.1 и DD2.2 и компараторы, роль которых выполняют DD2.3 и DD2.4. Первые два элемента микросхемы DD2 образуют традиционный функциональный генера-
тор, в котором элемент DD2.1 и резисторы R6 и R8 - триггер Шмитта, a DD2.2, резистор R7 и конденсатор С4 - интегратор. Напряжение треугольной формы с частотой около 1,5 Гц с выхода элемента DD2.2 поступает на два сумматора на резисторах R13 - R16 и с них - на компараторы DD2.3 и DD2.4. В среднем положении движков резисторов R 11 и R12 треугольное напряжение на входах компараторов остается симметричным относительно порога их переключения (рис. 49,а). На выходах компараторов формируются сигналы, по форме близкие к меандру. Поскольку вход 1 DD2.3 подключен к плюсовому выводу источника питания, этот элемент работает как компаратор с инверсным выходом, элемент DD2.4, у которого вход 5 соединен с общим проводом - с прямым. В результате их выходные сигналы противофазны.
Конденсаторы С6 и С7 служат для устранения генерации компараторов DD2.3 и DD2.4.
При перемещении движков резисторов R9 и R12 треугольное напряжение смещается относительно порога переключения компараторов (рис. 49,6) и скважность импульсов на их выходах меняется. При этом сигналы всегда остаются противофазными, как это показано на рис. 47. Компараторы, как уже указывалось выше, управляют прохождением коротких импульсов в начале каждого полупериода на управляющие электроды симисторов, чем и достигается регулирование средней мощности в нагрузках.
Все элементы регулятора, кроме симисторов VS1, VS2, выходных гнезд XI, Х2 и выключателя SA1, смонтированы на печатной плате
размерами 50 х 120 мм (рис. 50). Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-16 (Cl), K50-6 (СЗ), КМ-5 (остальные). Переменные резисторы R 11 и R12 - СПЗ-4аМ или СПЗ-46М. Диоды. VD1, VD2 - любые кремниевые
импульсные или выпрямительные, стабилитрон VD3 - на напряжение;
стабилизации 10...12 В. Микросхема К561ЛА7 заменима на К176ЛА7;
или КР1561ЛА7, микросхему К561ЛП2 никакими другими заменять;
не следует, поскольку К176ЛП2 генерирует на высокой частоте при ее, включении в качестве интегратора; по-видимому, также должна вести себя и микросхема КР1561ЛП14. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-n-р,. транзисторы VT3 и VT4 - средней или большой мощности той же структуры с допустимым коллекторным током 150 мА.
Светодиоды можно использовать любые видимого свечения с максимальной светоотдачей. Следует обратить внимание на их установку - светодиоды следует максимально вынести за пределы платы, и направлены они должны быть в ту же сторону, что и ось переменного резистора.
Корпуса резисторов R 11 и R12 соединены с минусовым проводником цепи питания микросхем, что необходимо для их экрани-
рования, Симисторы КУ208Г (или КУ208В) установлены на ребристых теплоотводах размерами 25 х 50 х 60 мм. Плата тепловроводы с симисторами, две пары гнезд и выключатель SА1 типа ТВ1-2 установлены в пластмассовую коробку размерами 70х95х150мм.При этом плата расположена максимально близко к нижней стенке коробки,теплоотводы .к верхней (это стенки среднего размера). В них просверлено по 42 отверстия диаметром б мм с шагом 10 мм. Светодиоды и оси переменных резисторов.выведены через отверстия в передней стенке коробки. Ось и крепежные винты пластмассовых ручек переменных резисторов не должны быть доступны для случайного прикосновения.
Налаживают и градуируют регулятор без симисторов. Выводы 2 и 5 микросхемы DD1 соединяют перемычкой с выводом 14. Параллельно конденсатору С1 подсоединяют резистор сопротивлением 220...330 Ом и подключают регулятор к источнику питания постоянного тока с напряжением 12...15 В, верхний по схеме провод к плюсу источника. Напряжение устанавливают такой величины, чтобы потребляемый ток составил 18...20 мА.
Вращая оси переменных резисторов R 11 и R 12, убеждаются, что светодиоды HL1 и HL2 мигают с частотой около 1,5 Гц с меняющейся скважностью. При малой длительности вспышек светодиодов должно быть видно, что они включаются неодновременно, в противофазе. Светодиод HL2 включается и выключается довольно плавно, это не является признаком какой-либо неисправности.
Заменяют конденсатор С4 на аналогичный емкостью 0,01 мкФ, при этом частота треугольных колебаний возрастет в 100 раз. Подключив к резистору R21 вольтметр постоянного напряжения (он будет измерять среднее напряжение импульсной последовательности регулируемой скважности), убеждаются,-что при вращении оси резистора R12 его показания меняются от нуля до 9 В (приблизительно). Подбирая резистор R10, добиваются, чтобы указанный диапазон регулировки осуществлялся при возможно большем угле вращения оси резистора R12. На шкале переменного резистора наносят метки, соответствующие границам регулирования напряжения, а также 20, 40, 60 и 80% от максимальной величины, индицируемой вольтметром. Метки можно поставить и чаще, например, через 5 или 10%. По ним при эксплуатации можно будет устанавливать необходимый уровень мощности в нагрузке.
Подключив вольтметр параллельно резистору R20, аналогично подбирают резистор R9 и градуируют шкалу переменного резистора R11.
Далее следует восстановить схему регулятора и собрать его полностью. В качестве нагрузок подключить две настольные лампы, включить регулятор в сеть. При вращении движков переменных резисторов лампы должны мигать с частотой около 1,5 Гц. Длительность вспышек ламп должна меняться от нуля до непрерывного свечения ламп. При малой длительности вспышек должно быть заметно, что лампы включаются противофазно.
Регулятор устанавливают в вертикальное положение так, чтобы вентиляционные отверстия ничем не закрывались, например, на стену комнаты.
Если не обязательна плавная регулировка мощности, можно за счет перехода к чисто цифровому управлению исключить операцию по налаживанию регулятора.
Схема регулятора с дискретной регулировкой мощности приведена на рис. 51. Отрицательный перепад, соответствующий началу полупериода, дифференцируется цепочкой C4R5, инвертируется элементом DD1.2 и в виде короткого импульса положительной полярности подается на выводы 2 и 5 элементов DD1.3 и DD1.4 и на вход СР счетчика с дешифратором DD2.
Выходные сигналы счетчика DD2 управляют двумя триггерами микросхемы DD3. Если подвижные контакты переключателей SA2 и SA3 не находятся в крайних положениях, при установке счетчика DD2 в состояние 0 фронтом импульса на выходе 0 счетчика (вывод 2) оба триггера устанавливаются в состояние 1, поскольку на их входах D высокий логический уровень. Момент перехода триггеров в
состояние 0 определяется положением подвижных контактов переключателей SA2 и SA3. Если, например, переключатель SA2 установленв положение "1/8", то в момент появления на выходе 1
счетчика DD2 (вывод 1) высокого логического уровня триггерDD3.1 установится в 0 (см соответствующую диаграмму на рис 52)
Выходной сигнал триггера DD3.1 управляет прохождением импульсов, соответствующих моменту начала полупериода, через элемент И-НЕ DD1.3. Поэтому через этот элемент пройдет только один
из каждых восьми импульсов (импульс 1 на верхней диаграмме рис 52). Эти импульсы включают первую из нагрузок, и, соответственно, к нагрузке будет подведен только один из каждых восьми полупериодов сетевого напряжения, на ней выделится 1/8 максимальной мощности. Переводя подвижный контакт переключателя в другие положения, можно добиться, чтобы на нагрузке выделялась указанная около переключателя в долях от максимальной мощность. На нижней диаграмме рис. 52 приведена форма сигнала на прямом выходе триггера DD3 1 при установке переключателя SA2 в положение "3/4". В этом случае через элемент DD1 3 на управляющий электрод симистора VS1 в каждом цикле работы счетчика DD2 пройдут шесть импульсов из восьми (импульсы 1 - 6) и на нагрузке выделится мощность, равная 3/4 от максимальной.
Если подвижный контакт переключателя SA2 установлен в верхнее по. схеме положение ("0"), на вход R триггера DD3.1 постоянно подан высокий логический уровень, триггер находится в состоянии 0, нагрузка отключена. При установке подвижного контакта в нижнее положение ("1") на входе R триггера низкий логический уровень и переход триггера в нулевое состояние не происходит - он постоянно находится в состоянии 1, на нагрузке выделяется максимальная мощность.
Поскольку цикл работы счетчика составляет восемь тактов, можно было получить восемь уровней мощности в нагрузке (включая полную и отключение) Для конкретного случая применения (регулирование нагрева электроплиток) достаточным оказалось шесть уровней, они указаны на схеме
Во второй нагрузке регулировка мощности происходит аналогично, но единичному состоянию триггера DD3.2 соответствует выключение нагрузки, нулевому - включение. Поэтому, если первая нагрузка включается в начале цикла работы микросхем DD2 и выключается где-то внутри цикла, то вторая нагрузка, включается внутри цикла и выключается в момент включения первой В результате работа нагрузок максимально возможно разнесена во времени, что несколько уменьшает потери в подводящих проводах. Уменьшено и так малозаметное из-за достаточно высокой частоты коммутации (12,5 Гц) мигание ламп, включаемых в ту же осветительную сеть.
Светодиоды HL1 и HL2 индицируют включение соответствующих нагрузок. По яркости их свечения можно приближенно судить о их мощности.
В регуляторе использованы переключатели ПГ2-9-6П2Н (SA1 и SA2), можно использовать любые другие подходящие по контактным группам и размерам Микросхему К561ТЛ1 можно заменить на КР1561ТЛ1, К561ТМ2 на К176ТМ2 или КР1561ТМ2 Микросхема К561ИЕ9 заменима на К561ИЕ8 или К176ИЕ8, но при такой замене выход 8 (вывод 9) микросхемы следует соединить с ее входом R (вывод 15), отключив его от вывода 8, для обеспечения коэффициента пересчета 8. Можно также уменьшить дискретность регулировки с 1/8 до 1/10, полностью использовав коэффициент пересчета этих микросхем.
Все элементы регулятора, кроме симисторов VS1, VS2, выходных гнезд XI, Х2 и выключателя SA1, смонтированы на печатной Плате размерами 50 х 120 мм (рис 53) Элементы использованы те же, что и в описанных выше регуляторах. '
Конструктивно регулятор оформлен также, как и предыдущий.
При использовании исправных радиоэлементов и отсутствии ошибок в монтаже регулятор налаживания не требует. Если же он не заработает сразу, можно рекомендовать следующий порядок поиска неисправности. Ничего не отключая от элемента DD1.1, превратить его в генератор импульсов частотой примерно 1 Гц, подпаяв между выводами 9 и 10 резистор сопротивлением 100кОм, а между 7 и 8 - оксидный конденсатор 10мкФ на напряжение не менее 10 В (плюсом к выводу 8) Подключить регулятор к источнику питания постоянного тока с напряжением 12 ..15 В, как это описано выше.
При помощи вольтметра или индикатора логических уровней проверить наличие импульсов на выходах счетчика DD2, правильность переключения триггеров микросхемы DD3, включение свето-
диодов HL1 и HL2, прохождение импульсов через элементы DD1.3, DD1.4 и эмиттерные повторители VT3 и VT4 на управляющие электроды симисторов. Следует иметь ввиду, что длительность импульсов на выходах DD1.3 и DD1.4 мала и по вольтметру их можно заметить лишь при его включении между плюсом С2 и
соответствующим выходом микросхемы и на самом чувствительном диапазоне.
При наличии осциллографа частоту генератора лучше установить примерно 1000 Гц, подпаяв к DD1.3 конденсатор емкостью не 10, а 0,01 мкФ.
Поскольку яркость свечения светодиодов при малых мощно
стях в нагрузках невелика, можно сделать так, чтобы светодиоды светились одинаково ярко при включении нагрузок на любую мощность и гасли при их выключении (рис. 54). Последовательное включение светодиодов позволяет почти вдвое увеличить ток через них (и, соответственно, яркость) при сохранении общего потребления тока от узла питания на прежнем уровне.
Рис. 41 Принципиальная схема первого варианта симисторного регулятора
Рис. 42 Печатная плата первого варианта симисторного регулятора
Рис. 43 Схема включения симистора при его проверке
Рис. 44 Принципиальная схема второго варианта симисторного регулятора
Рис. 45 Регулятор с фазоимпульсным управлением
Рис. 46-47 Синхронная и несинхронная работа двух регуляторов
Рис. 48 Принципиальная схема двухканального регулятора
Рис. 49 Принцип регулирования мощности
Рис. 50 Печатная плата двухканального регулятора
Рис. 51 Печатная плата регулятора с дискретной регулировкой мощности
Рис. 52 Временные диаграммы работы регулятора
Рис. 53 Печатная плата регулятора с дискретной регулировкой мощности
Рис. 54 Вариант включения светодиодов
2. Термостабилизаторы.
ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРЫ
Описываемые в разделе термостабилизаторы можно использовать для поддержания температуры в самых различных случаях - в дачном домике, погребе, балкононном хранилище,инкубаторе.
Стабилизация температуры осуществляется включением и выключением сетевого напряжения, подаваемого на нагреватель, в зависимости от температуры датчика терморезистора Включение симистора происходит вблизи момента перехода сетевого напряжения через "нуль", что снижает уровень помех.
Схема первого варианта термостабилизатора приведена на рис 55 Источник питания и формирователь импульсов в момент прохождения сетевого напряжения через нуль выполнены по описанной выше схеме рис 41. Положительный перепад, соответствующий началу полупериода, дифференцируется цепочкой C4R11 и в виде короткого импульса положительной полярности подается на вывод 12 элемента DD1.4
На второй вывод этого элемента поступает сигнал с выхода ОУ DA1, выполняющего роль компаратора Входы ОУ подключены к выходам термочувствительного моста из резисторов R5 - R8 и терморезистора RK1 Пока температура терморезистора выше установленной переменным резистором R5, напряжение на нем меньше напряжения в точке соединения резисторов R7 и R8 и на выходе компаратора низкий логический уровень Импульсы через элемент DD1 4 не проходят, светодиод HL1 не светится.
Когда температура терморезистора RK1 уменьшится и напряжение на нем станет больше, чем в точке соединения R7 и R8, выходной сигнал ОУ DA1 будет соответствовать логической 1, включится светодиод HL1, импульсы с дифференцирующей цепочки C4R11 начнут проходить через элемент DD1.4 на базу транзистора VT3 В начале, каждого полупериода транзистор начнет включать симистор VS1, нагреватель подключится к сети
Все элементы термостабилизатора, кроме симистора VS1 и выходных гнезд XI, смонтированы на печатной плате размерами 50 х 80 мм (рис. 56). Элементы использованы те же, что и в описанных выше регуляторах.
Операционный усилитель может быть использован практически любой, работающий при полном напряжении питания 10 В и потребляющий ток не более 5 мА, например, годятся КР140УД7, К140УД6, КР140УД6, КР140УД14.
Терморезистор автор использовал ММТ-4, можно установить любые типа ММТ или КМТ номиналом 22...33 кОм, лучше -герметичные ММТ-4 или КМТ-4. Для определения сопротивлений резисторов R5 и R6 необходимо задаться диапазоном температур, в котором должен работать термостабилизатор. Измеряют сопротивление терморезистора RK1 при максимальной рабочей температуре, резистор R6 устанавливают равным этой величине или несколько меньшей. Затем измеряют сопротивление RK1 при минимальной температуре и подбирают сопротивление R5 таким, чтобы оно в сумме с сопротивлением резистора R6 было не меньше измеренного. Если есть затруднения в измерении сопротивления терморезистора в диапазоне температур, можно считать, что для резисторов ММТ оно увеличивается на 19% при уменьшении температуры на 5°С, на 41% при уменьшении на 10°С и в два раза на 20°С. Аналогично при том же увеличении температуры уменьшение сопротивления составляет 16%, 29% и два раза соответственно. Для терморезисторов КМТ
изменение примерно в 1,5 раза больше. Указанные на .схеме сопротивления резисторов R5 и R6 и терморезистораRK1 соответствуют диапазону работы термостабилизатора 15...25°С.
Корпус резистора R5 соединен с минусовым проводником, цепи питания микросхемы, что необходимо для, его экранирования. Симистор КУ208Г (или КУ208В) установлен на ребристом теплоотводе размерами 25 х 50 х 60 мм. При таких размерах теплоотвода нагреватель может иметь мощность до 1 кВт.
Плата, теплоотвод с симистором, пара гнезд XI установлены в пластмассовую коробку размерами 70х95х150 мм так, чтобы терморезистор RK1 был расположен максимально близко к нижней стенке коробки, теплоотвод - к верхней (это стенки наименьшего размера). В них просверлено по 24 вентиляционных отверстия диаметром 6 мм с шагом 10 мм. Светодиод HL1 и ось переменного резистора R5 выведены через отверстия в передней стенке коробки. Ось и крепежный винт пластмассовой ручки переменного резистора не должны быть доступны для случайного прикосновения.
Налаживают и градуируют регулятор без симистора. Вывод 12 микросхемы DD1 соединяют перемычкой с выводом 14, к резистору R 12 подключают вольтметр. Параллельно конденсатору С1 подсоединяют резистор сопротивлением 220... 330 Ом и подключают термостабилизатор к источнику питания постоянного тока с напряжением 12... 15 В, верхний по схеме провод к плюсу источника. Напряжение устанавливают такой величины, чтобы потребляемый ток составил 18...20 мА.
Терморезистор помещают в воду с температурой, соответствующей середине рабочего диапазона. Его изолятор не должен быть в воде. Убеждаются в том, что при вращении оси резистора R5 по часовой стрелке светодиод HL1 загорается, вольтметр начинает показывать напряжение около 9 В, а при вращении в противоположном направлении - светодиод гаснет, вольтметр показывает нуль. Делают соответствующую отметку на шкале переменного резистора. Изменяя температуру воды, полностью градуируют термостабилизатор.
Для проведения этой операции вместо терморезистора можно использовать постоянные резисторы с сопротивлениями, соответствующими измеренным сопротивлениям терморезистора при заданных температурах.
Убрав дополнительный резистор и перемычку, полностью собирают стабилизатор и проверяют его работу с включенной в качестве нагрузки лампой накаливания.
Регулятор устанавливают в вертикальное положение так, чтобы вентиляционные отверстия ничем не закрывались, например, на стену
комнаты.Если термостабилизатор используется для поддержания температуры в погребе, инкубаторе или балконном хранилище, его лучше установить вне термостабилизируемого объема, а терморезистор вынести из корпуса стабилизатора. В этом случае для уменьшения влияние наводок вместо него на плату следует поставить полярный конденсатор емкостью не менее 50мкф на рабочее напряжение не менее 10 В. Терморезистор и подводящие провода должны быть тщательно заизолированы.
Термостабилизатор не имеет гистерезиса по температуре и его точность может быть весьма высокой - 0,1...0,2°С. Если же по каким-либо причинам необходим гистерезис, его можно получить, установив между выводами 3 и 6 ОУ DA1 резистор сопротивлением несколько мегаом, на печатной плате он показан штриховыми линиями.
Иногда требуется повышенная надежность работы термостабилизатора - он должен нормально работать как при обрыве, так и при замыкании терморезистора.
В описываемом далее термостабилизаторе применены три датчика - терморезистора, причем обрыв или замыкание любого из них не приводит к отказу в работе устройства. Более того, если датчики расположены в разных местах обогреваемого объема, термостабилизатор усредняет сигналы с них - нагреватель включается при охлаждении двух любых датчиков ниже необходимого порога, а выключается при превышении порога температуры также двух любых датчиков.
Схема термостабилизатора приведена на рис. 57. Выходные сигналы трех одинаковых делителей напряжения R1 - R6, RK1 -RK3, в каждый из которых входит терморезистор, поданы на три входа первого элемента микросхемы DD1 К561ЛП13, выполняющего функцию мажоритарного .клапана [З]. Выходной сигнал мажоритарного клапана соответствует входным сигналам на большинстве
входов, т.е., если входные сигналы превышают порог переключения на двух или трех входах, на выходе - лог.1, если порог переключения превышен лишь на одном входе или на всех входах сигналы ниже поpoгa переключения - на выходе лог.0.
Поэтому, если температура любых двух терморезисторов понизится ниже заданного порога, на двух входах элемента DD1.1 будет превышен порог переключения и на его выходе появится лог. 1. Этот сигнал пройдет через буферный элемент DD1.2 и включит транзистор VT1, который, в свою очередь, включит тиристор VS1. Тиристор включит нагреватель и температура стабилизируемого объекта начнет повышаться.
Когда температура двух терморезисторов превысит заданный уровень, на двух входах элемента DD1.1 напряжение будет ниже порога переключения и на выходе элемента DD1.1 появится лог.0, нагреватель выключится.
Резисторы R7 - R9 обеспечивают положительную обратную связь, небольшой гистерезис и четкое переключение элементов микросхемы DD1.
Сопротивление резистора R 12 обеспечивает ток питания элементов термостабилизатора около 16 мА, из них около 10 мА используется для включения тиристора. Если подобрать тиристор с током включения по управляющему электроду менее 5 мА, можно увеличить номиналы резисторов R 10 - R 12 вдвое, что позволит уменьшить мощность, бесполезно рассеиваемую резистором R12, с 4 до 2 Вт.
Еще более сократить потребляемую мощность и уменьшить уровень помех, создаваемых стабилизатором в момент включения нагрузки, можно, если ток в управляющий электрод, включающий тиристор, подавать лишь в моменты времени, соответствующие моментам перехода сетевого напряжения через нуль. Схема такого варианта термостабилизатора приведена на рис. 58.
Отличием стабилизатора по схеме рис. 58 является подключение терморезисторов к плюсовому проводу питания, что необходимо для того, чтобы сигналом включения нагревателя был лог.0 на выходе элемента DD1.1. Это, в свою очередь, необходимо для того, чтобы элемент DD1.2, выполняющий функцию ИЛИ для сигналов высокого логического уровня или функцию И для сигналов низкого уровня за счет подключения одного из его входов к плюсу питания, выдавал на своем выходе сигнал, включающий тиристор, лишь в те моменты, когда напряжение сети близко к нулю. Для этого же на вход элемента DD1.2 подано через делитель R15R10 напряжение с выхода выпрямительного моста VD2. Поскольку сигналом, включающим тиристор, теперь является лог.0 на выходе элемента DD1.2, усилитель тока на транзисторе VT1 выполнен по схеме инвертора.
В термостабилизаторах могут быть использованы терморезисторы типов ММТ или КМТ, оксидный конденсатор любого типа, любой стабилитрон на напряжение 8...10 В, практически любые маломощные кремниевые транзисторы соответствующей структуры. Микросхему К561ЛП13 можно заменить на К561ИК1 [З], подключив ее два управляющих входа к общему проводу. Резистор R 12 (рис. 57) составлен из двух резисторов 24 кОм 2 Вт, включенных параллельно.
На рис. 59 и 60 приведены чертежи печатных плат описываемых термостабилизаторов, на них размещены только слаботочные элементы устройств. Платы рассчитаны на применение подстроечных резисторов типа СПЗ-19а, размер плат - 30х50 мм. Подключение входов элемента DD1.3, показанное на схеме рис. 57, объясняется удобством разводки печатной платы; как известно, входы неиспользуемых элементов микросхем КМОП нельзя оставлять свободными.
Вариант силовых цепей, схема которого приведена на рис. 57 и 58, обеспечивает работу с нагревателем до 100 Вт, например, теплоизолированного ящика для хранения овощей на балконе, при этом установка тиристора VS1 на теплоотвод не требуется. При необходимости коммутации более мощного нагревателя следует использовать более мощные диоды и тиристор и установить их на соответствующие радиаторы.
Настройку термостабилизаторов для исключения поражения электрическим током следует производить с использованием маломощного понижающего трансформатора с напряжением на вторичной обмотке 26...28 В. Параллельно резистору R12 для устройства по схеме рис. 57 или R14 для стабилизатора по схеме рис. 58 подключить резистор с номиналом 750 Ом на мощность не менее 0,5 Вт. Вместо нагревателя подключить лампу накаливания на рабочее напряжение 27 В. Один из терморезисторов RK1 - RK3
отключить, выводы второго Замкнуть между собой, третий поместить в сосуд с водой с температурой, которую необходимо стабилизировать,
Вращая движок соответствующего подстроечного резистора, добиться, чтобы включение и выключение лампы происходило при небольшом повороте движка относительно найденного положения. Повторить подстройку терморегулятора с другими терморезисторами, после чего, восстановить полностью схему и проверить работу стабилизатора от сети.
Конечно, три датчика температуры можно применить и в симисторных термостабилизаторах.
Из-за нелинейности зависимости сопротивления терморезистора от температуры шкала переменного резистора, по которой устанавливают температуру, получается также весьма нелинейной Если от описываемых термостабилизаторов требуется работа в широком температурном диапазоне, желательно линеаризовать шкалу. Оказывается, решить такую задачу несложно
Зависимость сопротивления Rt терморезистора с отрицательным ТКС от абсолютной температуры Т выражается следующей формулой
где Rо - константа, имеющая размерность сопротивления;
В - константа,имеющая размерность температуры,
Т - абсолютная температура (T=t+273).
На рис. 61 приведена такая зависимость для терморезистора ММТ-4 с номинальным сопротивлением 15 кОм (Ro= 0,294 Ом, В =3176 К) Включим последовательно с терморезистором резистор Rдоп с сопротивлением, намного большим, чем он имеет в указанном на графике диапазоне, и подключим получившийся делитель к
источнику постоянного напряжения. Ток через делитель будет мало изменяться в диапазоне температур, поэтому напряжение на терморезисторе изменяется пропорционально его сопротивлению
Если же резистор Rдоп<< Rt, ток в цепи определяется терморезистором В этом случае температурная зависимость напряжения на терморези
сторе будет описываться также кривой, но с выпуклостью вверх. Естественно предположить, что при некотором промежуточном значении сопротивления резистора Rдоп эта зависимость может быть близка к линейной
Пусть терморезистор имеет сопротивления, равные Rl, R2, R3 при температурах Т1<Т2<ТЗ, причем Т2=(Т1+ТЗ)/2 В этом случае коэффициенты передачи Kl, K2 и КЗ делителя напряжения, состоящего из терморезистора и резистора Rдоп, равны
Kl = R1/(R1+Rдоп), (1)
Была разработана несложная программа для IBM PC, позволяющая по сопротивлению терморезистора для двух значений температуры рассчитать его константы Ro и В, определить для любого температурного диапазона значение Rдоп. и погрешность линеаризации (в градусах).
Для'примера на рис. 62 приведен .график (погрешности линеаризации в диапазоне 100 град. для терморезистора с зависимостью сопротивления от температуры, показанной на рис. 61.Как видно из графика, максимальная ошибка составляет примерно 3,7 град.
Ошибку линеаризации можно уменьшить более чем в полтора раза, если подобрать сопротивление Rдоп так, чтобы нулевую погрешность в точках Сопряжения получать не на концах диапазона, а при значениях температуры, смещенных внутрь диапазона на 0,07 от его ширины (рис. 63). Как видно из графика, для этого случая погрешность примерно одинакова на концах диапазона и на расстоянии 25 % от границ составляет не более 2,1 град. Но резкое ее увеличение на краях диапазона наводит на мысль, что небольшие неточности в расчете и настройке моста могут резко увеличить ошибку. Поэтому сопряжение лучше обеспечить на расстоянии
примерно 0,05 от границ диапазона (рис. 64), погрешность при этом составит около 2,5 град.
В табл.1 приведены результаты расчета погрешности для различных температурных диапазонов, заданных значениями температуры Т1 и ТЗ. Для них также построены графики зависимости ошибки от температуры. Все графики различаются лишь масштабом, их формы неотличимы от кривых на рис. 62 - 64. Погрешности рассчитаны для различного положения точек сопряжения: на краях диапазона (а=0) и на относительном смещении 0,05 и 0,07 от краев. В таблице также приведены значения сопротивления Rдоп для сопряжения на краях диапазона (а = 0).
Как видно из таблицы, для температурного диапазона не более 40 град. точность линеаризации достаточно высока для
любых применений даже при сопряжении на их концах. Для измерителя температуры воздуха за окном в диапазоне -20...+30°С результат линеаризации также вполне приемлем.
Особое место в таблице занимает последняя строка, в которой указан (с запасом) температурный диапазон медицинского термометра. Ошибка линеаризации для него ничтожна, что позволяет разработать простой и точный термометр с терморезисторным
датчиком.
Надо заметить, что для терморезисторов КМТ значение константы В значительно выше, поэтому температурные диапазоны с приемлемой ошибкой линеаризации существенно уже. Определить
Применение терморезисторного моста и терморегуляторе, как правило, не требует высокой точности. Поэтому расчет можно проводить для сопряжения на краях диапазона. В этом случае в верхнем по схеме положении движка R2 делитель R1R2R3 должен обеспечивать коэффициент передачи К 1, в нижнем - КЗ.
Рис. 55 Принципиальная схема термостабилизатора
Рис. 56 Печатная плата термостабилизатора
Рис. 57 Принципиальная схема первого варианта термостабилизатора повышенной надежности
Рис. 58 Принципиальная схема второго варианта термостабилизатора повышенной надежности
Рис. 59-60 Печатные платы термостабилизатора
Рис. 61 Зависимость сопротивления терморезистора от температуры
Рис. 62-64 График погрешности линеаризации
Рис. 65 Терморезистивный мост
Таблица 1. Результаты расчета погрешности для различных температурных диапазонов
Ф. 2 Как рассчитать терморезистор
Ф.1 Зависимость сопротивления Rt терморезистора с отрицательным ТКС от абсолютной температуры Т
Ф.2 Определение терморезистора
3. Автомат плавного пуска коллекторных электродвигателей.
АВТОМАТ ПЛАВНОГО ПУСКА КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Тот, кто имел дело с мощным коллекторным электродвигателем, замечал, как резко пригасали осветительные лампы накаливания в момент пуска двигателя. Однако большой пусковой ток вреден не столько миганием ламп, сколько возможным разрушением коллектора самого двигателя и редуктора электроинструмента из-за теплового и динамического удара. В разделе описано устройство, обеспечивающее плавное увеличение тока в двигателе. Оно, кроме того, "по совместительству" вьполняет функцию регулятора мощности нагрузки и электронного предохранителя, исключающего порчу инструмента при большой перегрузке или его заклинивании.
Схема предлагаемого автомата приведена на рис. 67. Основой устройства послужил симисторный регулятор с фазоимпульсный управлением, описанный выше.
Триггер Шмитта DD2.1 формирует крутые фронт и спад образующегося в момент перехода сетевого напряжения через нуль импульса и через эмиттерный повторитель VT3 заряжает конденсатор С10 практически до. напряжения на выводе 14 микросхем. Разряжается конденсатор через резисторы R 19 - R21 и открытый транзистор VT4. При снижении напряжения на конденсаторе С10 до порогового значения элемент DD2.4 переключается, фронт импульса с его выхода дифференцируется цепью C11R22 и в виде импульса
длительностью около 100 мкс через элементы DD2.2, DD2.3 и транзистор VT5 включает симистop VSl.
В исходном состоянии транзистор VT4 закрыт и разрядка конденсатора С10 происходит только через резистор R21. Его сопротивление подобрано так, что симистор включается в конце каждого полупериода, поэтому на выход устройства подается относительно небольшое "дежурное" сетевое напряжение.
При включении нагрузки через резистор R5 начинает протекать ток, создающий на нем падение напряжения (в виде импульсов изменяющейся полярности) амплитудой 10...30 мВ. Движок подстроечного резистора R7 устанавливают в такое положение, чтобы напряжение на прямом входе ОУ DA1.1 было несколько меньше, чем на инверсном, и на выходе ОУ был сигнал низкого уровня. Импульсы с полярностью, при которой на правом (по схеме) выводе резистора R5 - плюс, переключают ОУ DA1.1, в результате чегона его выходе формируются импульсы положительной полярности амплитудой, близкой к напряжению источника питания микросхем.
С выхода ОУ DA1.1 импульсы поступают на вход узла, состоящего из диода VD6, резистора R15, элементов DD1.1, DD1.2 и конденсатора С7, выполняющего функцию одновибратора с перезапуском. Пока
на его входе присутствуют импульсы положительной полярности, на выходе элемента DD1.2 - сигнал высокого уровня. Конденсатор С9 плавно заряжается через резистор R17, транзистор VT4 открывается и ток коллектора увеличивается. Это приводит к более быстрой разрядке конденсатора С10 и более раннему, в пределах полупериода сетевого напряжения, открыванию симистора VS1. В результате напряжение на нагрузке плавно повышается и примерно через 3 с достигает максимального. Его значение можно регулировать резистором R 19 в пределах 30 98% от напряжения сети
При выключении нагрузки с задержкой в пределах 40.....50 мс напряжение на выходе элемента DD1 2 становится низким, конденсатор С9 быстро разряжается через диод VD7, напряжение на выходе устройства снижается до своего "дежурного" значения. При следующих включениях симистора процесс плавного пуска повторяется.
Импульсы "дежурного" запуска симистора протекают и через резистор R5 Но они не вызывают включения ОУ DA1 1, так как их полярность не соответствует необходимой
Если при перегрузке электроинструмента или замыкании в его цепи амплитуда тока, протекающего через резистор R5, превысит 20 А, на выходе ОУ DA1 2 появятся импульсы низкого уровня Пройдя через помехоподавляющую цепь C6R14, первый же из этих импульсов переключит второй одновибратор, образованный резистором R 16, элементами DD1 3, DD1 4 и конденсатором С8 На выходе элемента DD1 4 появляется сигнал низкого уровня, который переключит в исходное состояние первый одновибратор и запретит прохождение импульсов через элементы DD2 2 и DD2 3 на базу транзистора VT5. Напряжение с нагрузки снимается.
Примерно через 5.7 с второй одновибратор переключается в исходное состояние - и вновь (если нагрузка не отключена) начинается процесс плавного пуска двигателя электроинструмента Если причина срабатывания защиты не устранена, она вновь сработает. Такой процесс будет повторяться каждые 5. 7 с.
Диоды VD4 и VD5 защищают входы ОУ DA1 в аварийных ситуациях
Электродвигатель инструмента, как нагрузка, имеет заметную индуктивную составляющую, в связи с чем ток через него прекращается не в момент перехода напряжения сети через "нуль", а несколько позже. Поэтому импульс, открывающий симистор при максимальной мощности, следует подавать позже, чем в случае чисто активной нагрузки. Для этого сопротивление резистора R2 уменьшено, что привело к расширению импульса низкого уровня на коллекторах транзисторов VT1, VT2 и увеличению задержки по
явления запускающего импульса относительно момента перехода сетевого напряжения через "нуль".
Чтобы за время импульса запуска ток через нагрузку с индуктивной составляющей достиг значения тока удержания симисора длительность запускающих импульсов увеличена примерно до 100 мкс за счет установки конденсатора С11 большей емкости, В связи с этим потребовалось защитить транзистор VT5 (резистором R24) от возможной перегрузки.
Все элементы устройства, кроме симистора VS1 с его ребристым теплоотводом размерами 60х50х40 мм и выходного разъема XI, смонтированы на печатной плате (рис 68), выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-17 на номинальное напряжение 250 В (С1, С10), К50-16 (С2), К53-18 (С9), КМ-5 и КМ-6 (остальные). Конденсаторы С1 и С10 могут быть любыми другими, обозначение которых начинается с К73, например К73-16. Номинальное напряжение конденсатора С1 должно быть не менее 250 В, конденсатора С10 - любое
Переменный резистор R 19 - СПЗ-4аМ или СПЗ-46М, подстроечный R7 - СПЗ-19а. Диоды VD1, VD2, VD4 - VD7 - любые кремниевые импульсные, стабилитронVD3 - на напряжение стабилизации 10. 12 В Микросхема К561ЛА7 (DD1) заменима на К176ЛА7 или
КР1561ЛА7, а К561ТЛ1 (DD2) - на КР1561ТЛ1. Вместо ОУ К140УД20 (DA1) подойдут два ОУ КР140УД7 или КР140УД14.
Резисторы R6, R8, R9, Rl1-R13 - С2-29 с допуском 0,25%, однако их сопротивления могут быть в 1,5-2 раза больше указанных на схеме. Важно, чтобы сохранялись соотношения R6=R8, R9=R11, R12=R13, R6 = 2R12, причем последнее равенство - приблизительно. Сопротивление резистора R 10 должно составлять примерно 20% от номинала R 12. Здесь существенно не столько сопротивление резисторов, сколько их стабильность. Если не удастся подобрать стабильные резисторы, то, возможно, придется подстраивать резистор R7 в процессе эксплуатации.
Резистор R5 изготовлен из восьми отрезков нихромовой проволоки диаметром 0,8 мм, которые соединены параллельно и скручены в жгут. Длина отрезков (несколько сантиметров) подобрана с таким расчетом, чтобы сопротивление каждого из них было 0,40м±10%. Готовый резистор припаян к двум гнездовым контактам диаметром 1 мм от разъема 2РМ. К ним же подпаяны и провода силовой разводки, как это показано на рис. 68. Контакты насажены на штыри такого же диаметра, впаяные в плату в точках подключения внешних цепей.
Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-n-р. Транзистор VT3 должен допускать обратное напряжение на эмиттерном переходе не менее напряжения стабилизации стабилитрона VD3. Пригодны транзисторы серии КТ201 с буквенными индексами А, Б, AM, БМ, а при использовании в источнике питания стабилитрона VD3 на напряжение стабилизации 10 В - с индексами В-Д, ВМ-ДМ. Можно также использовать любой кремниевый маломощный транзистор структуры n-р-n, включив последовательно с его эмиттерным переходом кремниевый маломощный диод. Транзистор VT4 может быть серии КТ3102 или КТ342 с любым буквенным индексом, кроме А. Транзистор VT5 - любой средней или большой мощности структуры n-р-n.
Симистор VS1 может быть ТС112-10 или ТС112-16 с любым последующим цифровым индексом, но не менее 4. Этот индекс означает максимальное рабочее напряжение симистора, выраженное в сотнях вольт. В обозначении симистора может быть также еще один цифровой индекс, но его значение не играет роли. С использованием указанных симисторов максимальный ток нагрузки может составлять 10 и 16 А соответственно. С симистором КУ208В или КУ208Г ток нагрузки не превысит 5 А.
Корпус резистора R 19 соединен с минусовым проводником цепи питания микросхемы, что необходимо для его экранирования.
Монтажная плата,теплоотвод с симистором и гнезда разъема ХИ размещены в пластмассовой коробке размерами 150 х 95х 70мм так, чтобы плата была расположена ближе к нижней стенке коробки, а теплоотвод симистора - к верхней (стенки наименьших размеров). В этих стенках просверлено по 24 вентиляционных отверстия Диаметр ром 6 мм с шагом 10 мм. Вал переменного резистора R19 выведен через отверстие в передней стенке коробки и снабжен, пластмассовой ручкой. При этом вал резистора и крепежный винт его ручки недолжны быть доступны для случайного прикосновения.
Налаживают автомат и градуируют его органы управления вначале без симистора и нагрузки. Вместо R5 временно впаивают резистор сопротивлением 100 Ом и его левый (по схеме рис. 67) вывод соединяют с плюсовым проводником источника питания. Параллельно конденсатору С1 подключают резистор сопротивлением 150...200Ом, после чего на сетевой вход устройства подают от внешнего источника постоянное напряжение 12...15 В, плюс - к верхнему по схеме проводу. Его выходное напряжение устанавливают таким, чтобы ток, потребляемый устройством, был в пределах 30...35 мА.
Затем между плюсовым проводником источника питания и выходом (вывод 11) элемента DD1.1 включают светодиодный индикатор - последовательно соединенные резистор сопротивлением 5,1кОм и любой светодиод из серии АЛ302 или АЛ307. Перемещая движок подстроечного резистора R7 из одного крайнего положения в другое, убеждаются, что светодиод включается и гаснет. Если это не происходит, параллельно резистору R6 или R8 подключают дополнительный резистор сопротивлением до нескольких мегаом. Движок резистора устанавливают в крайнее положение (до упора), при котором светодиод не горит.
Тот же или аналогичный индикатор включают между плюсовым проводником питания и выходом (вывод 4) элемента DD 1.4: -При кратковременном замыкании выводов резистораRll светодиод должен включаться на 5...7 с. Точно порог срабатывания системы защиты можно проверить, подключив к резистору, заменяющему проволочныйR5, гальванический элемент (плюсовым выводом к его правому по рис. 67 выводу) последовательно с переменным резистором сопротивлением 220 Ом. При плавном уменьшении сопротивления этого резистора, когда напряжение на резисторе, заменяющем R5, приблизится к 1 В, светодиод индикатора должен включиться. Другой порог срабатывания защиты устанавливают соответствующим подбором резистора R10.
Затем движок переменного резистора R19 устанавливают в нижнее по схеме положение, а параллельно транзистору VT4
подключают вольтметр постоянного тока. Резистор R18 временно заменяют на переменный резистор сопротивлением 2 МОм и, пользуясь им как реостатом, выводят транзистор VT4 на границу насыщения, т. е. добиваются показания вольтметра 0,4...0,8 В. Измеряют сопротивление введенной части переменного резистора и впаивают резистор R18, номинал которого должен быть примерно вдвое меньшим.
Далее дополнительный переменный резистор убирают и окончательно собирают устройство (светодиодный индикатор оставляют подключенным к выходу 11 элемента DD1.1). Особое внимание уделяют прокладке сильноточных цепей - провода к плате и резистор R5 должны подключаться именно так, как показано на рис. 68. К выходному разъему XI подключают лампу накаливания мощностью не менее 60 Вт, устройство включают в сеть и подбором резистора R21 добиваются, чтобы нить накала лампы слабо светилась. При этом переменное напряжение на лампе должно составлять 12... 18 В. Движок резистора R7 устанавливают в такое положение, чтобы при выключенной лампе светодиод гас, при включении - загорался, а яркость свечения самой лампы плавно увеличивалась.
Теперь вместо лампы накаливания к разъему XI подключают электроинструмент, потребляющий минимальную мощность, например, электродрель. При его включении светодиод должен загораться, а ротор двигателя плавно разгоняться. Если светодиод светится постоянно или не включается вообще, следует уточнить положение движка резистора R7, после чего проверить работу устройства с наиболее мощным электроинструментом.
При любых проверках автомата и работе с ним следует иметь в виду, что сразу после его включения в сеть запускается цепь защиты и в течение 5...7 с нагрузка не включается. Проверить же работу системы защиты можно, предварительно заменив проволочный R5 на резистор сопротивлением 1 Ом. При включении электроинструмента любой мощности защита должна четко срабатывать.
В процессе эксплуатации автомата его подвешивают или устанавливают в вертикальном положении так, чтобы вентиляционные отверстия в его корпусе ничем не закрывались.
Рис. 67 Принципиальная схема автомата плавного пуска коллекторных электродвигателей
Рис. 68 Печатная плата автомата плавного пуска коллекторных электродвигателей
4. Автомат управления размораживанием холодильника.
АВТОМАТ УПРАВЛЕНИЯ РАЗМОРАЖИВАНИЕМ ХОЛОДИЛЬНИКА
Описываемое устройство обеспечивает автоматический режим размораживания холодильнику "Ока-6", оснащенному полуавтоматической системой. Оно включает размораживание холодильника всегда в одно и то же время, например ночью.
Для возможно точного соблюдения рекомендуемой периодичности размораживания холодильника раз в двое суток, в описываемое устройство введены кварцованный генератор колебаний и делитель его частоты.
Схема электронного блока, дополняющего систему полуавтоматического режима размораживания, приведена на рис. 69. Смонтированный блок подключают четырьмя проводниками к соответствующим цепям и агрегатам электрооборудования холодильника. На упрощенной схеме этой системы электродвигатель компрессора обозначен буквой М, клапан размораживания - буквой К, выключатель терморегулятора - SK1, кнопка включения режима размораживания - SK.2.
Задающий генератор электронного блока собран на микросхеме DD1 с кварцевым резонатором ZQ1 на частоту 32768 Гц (от наручных электронных часов). С выхода М сигнал микросхемы, следующий с частотой 1 импульс в минуту (1/60 Гц), поступает на вход СР делителя частоты DD2.2 и уменьшает частоту импульсов до одного в 16 мин. Далее сигнал с таким периодом делится по частоте на три в счетчике DD2.1.
Резистор R6 и диод VD5 образуют элемент совпадения, обнуляющий счетчик DD1.1 своим выходным сигналом после достижения им состояния 3. Конденсатор С7 несколько удлиняет импульс обнуления и обеспечивает четкость в работе делителя.
Импульсы с периодом в 48 мин через инвертор DD3.1, функцию которого выполняет генераторный элемент микросхемы DD3, поступает на вход С делителя частоты на 60 той же микросхемы. Делитель DD3.2 принудительно устанавливается в нулевое состояние цепью C9R8 в момент включения источника питания устройства.
Период импульсов на выходе М делителя DD3.2 равен 48 ч. Их положительные перепады устанавливают триггер первого разряда счетчика DD5.1 в состояние 1, и на его выходном выводе 11 появляется сигнал высокого уровня (см. диаграммы на рис. 70). Если при этом электродвигатель компрессора холодильника выключен, то никаких других изменений в устройстве не происходит. При включении же компрессора переменное напряжение сети выпрямляется
диодом VD7, выключает элемент DD4.1 и в виде сигнала высокого уровня проходит на вход 5 элемента DD4.2. Этот элемент, включается сам и открывает транзистор VT1. Срабатывает реле К1 и своими контактами К 1.1 и К 1.2, соединенными параллельно, замыкает цепь питания электромагнита клапана, открывая тем самым путь горячему фреону в испаритель холодильника - начинается процесс размораживания.
Одновременно сигнал низкого
уровня с выхода элемента DD4.2 разрешает работу счетчика DD5.2, и он начинает считать импульсы с периодом в 4 мин, поступающие на его вход CN с выхода 2 счетчика DD2.2. После восьми импульсов на выходе 8 счетчика DD5.2 возникает сигнал высокого уровня, который устанавливает счетчик DD5.1 в исходное состояние, транзистор VT1 закрывается и реле К1 отпускает -процесс размораживания прекращается. Сигнал такого же уровня с выхода элемента DD4.2 устанавливает в нулевое состояние и счетчик DD5.2.
Поскольку работа делителя DD2.2 не синхронизирована с включением компрессора, время размораживания может быть от 28 до 32 мин.
Так происходит каждые 48 ч. Но если в момент положительного перепада на выходе делителя DD3.2 электродвигатель компрессора оказывается включенным, то процесс размораживания начнется сразу.
Срабатывание устройства происходит примерно через 31 ч после включения питания, поскольку первый положительный перепад на выходе делителя DD5.1 появляется после пуска спустя 39/60 периода выходных колебаний, составляющего в данном случае 48 ч. Это позволяет включить устройство вечером, например, в 20 ч, после чего размораживание будет происходить раз в двое суток в 3 ч ночи.
Электронный блок питается от сети через гасящий конденсатор С1 и выпрямитель на диодах VD1, VD2. Напряжение питания реле К1 стабилизировано стабилитроном VD3, а микросхем, кроме того, параметрическим стабилизатором R2VD4. В предлагаемом электронном блоке использованы резисторы МЛТ, конденсаторы - К73-16 (С1), ЭТО (С2), КМ-5 и КМ-6 (остальные). Реле К1 - РЭС-9 (паспорт
РС4.524.204). Стабилитрон VD4 должен быть на напряжение стабилизации 7...9 В, диоды VD1, VD2 и VD8 - на обратное напряжение не менее 100 В, диоды VD5, VD6 и VD7 - любые маломощные кремниевые. Транзистор КТ814Г (VT1) заменим на КТ816Г.
Любая замена микросхем, кроме К561ЛА7, на другую, содержащую по крайней мере два элемента И-НЕ, потребует переработки электронного блока.
Все детали устройства смонтированы на печатной плате (рис. 71) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Часть соединений выполнена навесными проводниками на стороне платы, противоположной установке микросхем. Неиспользуемые входные выводы микросхем подключены к какому-либо проводнику цепи питания. Стабилитрон VD3 снабжен небольшим теплоотводом в виде "флажка" из мягкого алюминия толщиной 0,5 мм.
Правильно собранное из заведомо исправных элементов устройство в налаживании не нуждается, однако перед установкой в холодильник его целесообразно проверить. Для этого замкните между собой выводы конденсатора С1, резистора R2 и подайте на входные проводники 2 и 4 постоянное напряжение такого значения (9...10 В), чтобы ток, потребляемый блоком, был в пределах 10...15 мА. По частотомеру или осциллографу убедитесь в нормальной работе микросхемы DD1 - на ее выводах 14, 11, 1, 4 должны формироваться импульсы, следующие с частотой 32768, 1024, 128 и 1 Гц соответственно. Затем отключите вывод 10 счетчика DD2.2 от
вывода 10 микросхемы DD1 и подключите его к выводу 14 той же микросхемы. При этом на вход СР счетчика DD2.2 будут поданы импульсы частотой 32768 Гц. Проверьте наличие импульсов частотой 8192 Гц на его выводе 12, 2048 Гц - на выводе, 14 (того же делителя, 687 Гц - на выводе 13 и 11,4 Гц - на выводе 10 микросхемы DD3. На выходе элемента DD4.2 должен быть сигнал высокого уровня. Далее замкните выводы конденсатора С8 - на выходе элемента DD4.2 должны появиться импульсы низкого уровня.
Затем вход СР счетчика DD2.2 соедините с выводом 1 микросхемы DD1 (128 Гц), параллельно обмотке реле К1 подключите любой светодиод видимого излучения с ограничительным резистором сопротивлением 1,5 кОм. После включения питания первая вспышка этого светодиода должна произойти спустя примерно 15 с и повторяться каждые 22,5 с. Далее вход CN счетчика DD5.1, отключив его от выхода счетчика DD3.2, подключите к выходу М микросхемы DD1 - вспышки светодиода должны повторяться каждую минуту.
Двумя последними проверками можно начать контроль работоспособности устройства, а предшествующие им помогут найти
возможные неисправности.
После этого, не изменяя соединения между счетчиками, удалите перемычки с конденсаторов С1, С8 и резистора R2, отключите от реле К1 светодиод и резистор. Соедините между собой входы 4, 1, подключите входы 2, 3, 4 устройства к холодильнику и, соблюдая меры предосторожности, подключите электрооборудование холодильника к сети 220 В. При этом реле К1 может кратковременно сработать. Следующее же его срабатывание должно произойти спустя 15 с после подачи питания и повторяться через каждые 22,5 с. Разомкните входы 1 и 4. Теперь реле не должно срабатывать.
После такой проверки восстановите все соединения, устройства в соответствии с его принципиальной схемой.
Перед установкой платы в холодильник ее соединяют четырьмя отрезками провода, например МГШВ-0,5, с соответствующими цепями электрооборудования и покрывают несколькими слоями какого-либо лака, например УР-231. Холодильник тщательно размораживают и просушивают. В нем необходимо снять плафон и крышку, закрывающую снизу пульт .управления, удалить два винта:
средний винт декоративной передней панели пульта и правый винт, поджимающий через прокладку трубки терморегулятора и автомата
отключения режима оттаивания.
Плату крепят деталями вверх двумя шурупами, используя одну дистанционную втулку длиной 3 мм, ввертывая их в освободившиеся отверстия. После установки ранее снятых деталей холодильник можно включать в сеть.
Время размораживания холодильника можно изменять подключением входа CN счетчика DD5.2 к другим выходам делителя DD2.2. Период размораживания можно уменьшить в два раза, если вход СР счетчика DD2.1 переключить с выхода 8 делителя DD2.2 на его выход 4, или, наоборот, увеличить, подключая входы элемента совпадения R6VD5 к выходам счетчика DD2.1 с большими номерами.
Описанный электронный блок пригоден для любого другого холодильника, имеющего полуавтоматическую систему размораживания. Придется лишь переработать печатную плату с учетом свободного места. Впрочем, плата может находиться и снаружи холодильника.
Рис. 69 Принципиальная схема автомата управления размораживанием холодильника
Рис. 70 Временная диаграмма работы автомата
Рис. 71 Печатная плата автомата
5. Доработка импортных электронных часов.
ДОРАБОТКА ИМПОРТНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЧАСОВ
Во многих магазинах и киосках, торгующих бытовой техникой, можно приобрести импортные настольные электронные часы-радиоприемник. На упаковочной коробке - название какой-либо крупной фирмы, например, Philips и мелким шрифтом made in China - сделано в Китае. Часы-радиоприемник, как правило, хорошо оформлены и удобны в эксплуатации, но покупатель с большим огорчением вскоре обнаруживает, что они отстают на несколько минут в сутки. В чем причина? Что сделать, чтобы ход часов стал нормальным?
Часы-радиоприемник обычно выполнены на двух микросхемах. Нередко встречается такая комбинация - LM8560 - собственно часы и CXA1019S - радиоприемник на диапазоны СВ и УКВ. Схемы устройств в основном повторяют друг друга, могут встретиться и отличия, главным образом, в цепях питания.
Образцовой для часов служит частота электроосветительной сети - 50 Гц. В России и других странах СНГ она обычно несколько ниже номинала (хотя и в пределах допуска), что и приводит к отставанию часов. Для нормальной работы их надо дополнить генератором, обеспечивающим на входе часовой микросхемы стабильный сигнал частотой 50 Гц. При наличии резонатора на частоту 100 кГц (или кратную ей) нетрудно сделать генератор с цепочкой делителей, понижающих его частоту до необходимого значения. А вот с использованием в генераторе широко распространенного часового кварцевого резонатора на частоту 32768 Гц получить импульсы, следующие с частотой 50 Гц, не так-то просто.
Схема узла, в котором частота 50 Гц, необходимая для часов, формируется из частоты 32768 Гц, приведена на рис. 72. На микросхеме DD1 собраны генератор, частоту колебаний которого стабилизирует резонатор ZQ1, и делитель его частоты. На выходе К
микросхемы формируются импульсы с частотой следования 32768 Гц, а на выходах 9 и 14 соответственно 64 и 2 Гц. Элемент совпадения DD2.1 пропускает через себя лишь половину импульсов частотой 64 Гц, поэтому средняя частота на его выходе равна 32 Гц. Импульсы с выхода К микросхемыDD1 и выхода элемента DD2.1 дифференцируются ячейками C3R3 и C4R4, в результате чего на входы 9 и 8 элемента DD2.2 поступают совпадающие во времени последовательности импульсов частотой 32768 и 32 Гц. На выходе этого элемента формируются импульсы суммарной частоты 32800 Гц, которую микросхема DD3 совместно с элементами DD2.3 и DD2.4 делит на 328.
Диод VD1 и резистор R5 увеличивают число входов элемента И-НЕ (DD2.4) до трех, что необходимо для получения требуемого коэффициента деления. Импульсы с выхода 28 микросхемы DD3 поступают на вход С JK-триггера DD4 - для формирования импульсов частотой 50 Гц и скважностью 2, обеспечивающей нормальное функционирование цепей динамической индикации часов.
Источником питания этого устройства служит блок питания самих часов, фрагмент схемы которых приведен на рис. 73.
В часах использован светодиодный индикатор HG на четыре цифровых разряда, элементы цифровых знакомест которого в довольно про
извольном порядке разбиты на две группы. В каждой из групп катоды элементов светодиодов объединены и соединены с контактами 1 и 2 индикатора. Часовая микросхема DD1' подключена к источнику двуполярного напряжения ±6 В, собранному на диодах VD1', и конденсаторах С1' и С'2. Диоды этого источника
обеспечивают подачу полуволн отрицательной (относительно цепи +6 В) полярности на группы объединенных катодов индикатора HG1'. Синхронно с частотой сети микросхема DD1' выдает необходимые сигналы на аноды соответствующей группы элементов индикатора.
После дополнения часов генератором с делителем его частоты до 50 Гц работа микросхемы DD1' уже не связа
на непосредственно с частотой сети. Поэтому для функционирования цепей динамической индикации в дополняющее устройство введены транзисторы VT1 и VT2, включающие в соответствующие моменты времени нужную группу элементов индикатора HG1', и диоды VD2, VD3, которые вместе с диодами VD3' и VD4' часов образуют обычный мостовой выпрямитель для питания индикатора.
Для обеспечения нормального режима динамической индикации в микросхеме DD1' часов введена небольшая задержка момента смены информации для групп элементов относительно прихода фронтов импульсов частотой 50 Гц. Поэтому в работу ключевых транзисторов VT1 и VT2 введена пауза длительностью около 0,4 мс, во время которой и происходит смена информации. Длительность паузы определяется дифференцирующей цепью C6R6, а элементы DD5.1 и DD5.2 выполняют функцию И для сигналов низкого уровня (либо ИЛИ для высокого).
Все детали узла доработки часов смонтированы на печатной плате (рис. 74). Постоянные резисторы - КИМ-0,125 (R2) и МЛТ-0,125;
конденсатор С1 - КТ4-216, остальные КМ-5 и КМ-6. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми структуры р-n-р малой или средней мощности с допустимым коллекторным током не менее 150 мА, диоды VD1 - VD3 - любые кремниевые на рабочий ток такого же значения. Стабилитрон VD4 - любого типа на напряжение стабилизации 7...8 В.
Микросхемы К561ИЕ16 можно заменить на К561ИЕ10, собрав на ней делитель частоты на 164 и поделив ее на 2, используя для этого свободный JK-триггер микросхемы DD4. Микросхема К561ТВ1 заменима на К561ТМ2, а К561ЛП13 - на два элемента ИЛИ, собранные из элементов ИЛИ-НЕ одной микросхемы К561ЛЕ5.
Частоту кварцованного генератора целесообразно подстроить до установки платы в корпус часов. Точнее всего это можно сделать, контролируя цифровым частотомером период колебаний 1 с на выходе 15 (вывод 5) микросхемы DD1. Если такой возможности нет,
то настраивать генератор придется по сигналам поверки времени.
Монтажную плату устанавливают под основной платой часов, предварительно срезав одну из пластмассовых стоек корпуса. На плате же часов следует разрезать печатные проводники, идущие от сетевого трансформатора к индикатору (на рис. 73 обозначено крестами) и удалить перемычку между выводом обмотки III трансформатора Т1' и конденсатором С3'. Затем подключить гибкими проводниками контактные площадки дополнительной платы к соответствующим точкам основной и включить часы в сеть. Если элементы индикатора образуют хаотический рисунок, это укажет на необходимость поменять местами проводники, идущие от эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 к индикатору часов.
В инструкции к часам нет указания, как в них устанавливать точно текущее время. Да это и не требовалось - при работе часов от сети точность их хода невысока. А вот после доработки появляется смысл в точном пуске часов. Выполнять его можно так. Установить на табло время, соответствующее показанию образцовых часов, и в момент, когда они увеличат свои показания на одну минуту, нажать и отпустить кнопку установки минут.
Сетевой трансформатор приобретенных часов может иметь одну вторичную обмотку с отводом от середины (рис. 75). Для таких часов
диоды VD2 и VD3 в узле доработки не нужны - точку соединения коллекторов транзисторов VT1 и VT2 следует соединить с объединенными анодами диодов VD3' и VD4' (точки а и в на рис. 75). Печатная плата в этом случае имеет Т-образную форму и ее также устанавливают под основной. Питание для узла доработки снимают с конденсатора С1' или непосредственно с выводов 15 и 20 микросхемы DD1'.
Доработанные таким образом часы вполне пригодны для установки в автомобиль, однако приемник в диапазоне СВ будет работать плохо.
Если в приобретенных часах есть переключатель частоты сети 50/60 Гц, целесообразно сделать более простой формирователь импульсов частотой 60 Гц (рис. 76). В таком случае на выходе элемента совпадения DD2.1 сигнал низкого уровня будет появляться после окончания каждого 15-го
импульса и присутствовать до окончания 16-го. В результате на выход элемента DD2.2 станут проходить 15 импульсов из поступивших на его вход 16-ти.
Импульсы частотой 128 Гц можно снять с выходов Т2 или Т4 микросхемы К176ИЕ12 с кварцевым резонатором на 32768 Гц (выходы Т1 и Т2 для этой цели непригодны). Для формирования частоты 120 Гц из 128 или 60 из 64 Гц, полученных с выхода микросхемы К176ИЕ5. надо вход 5 элемента DD2.2 подключить не к выходу 1 счетчика DD1.1 (как на рис. 76), а к его входу СР (вывод 2).
Как частоту импульсов 100 Гц, полученную таким способом, использовать в других электронных устройствах? Импульсы этой частоты следуют во времени неравномерно. Но эта неравномерность невелика, поэтому никак не скажется на работе секундомера, шахматных часов или какого-либо другого измерителя времени, от которого требуется точность в 0,01 с. Однако эти импульсы совершенно непригодны, например, для задания времени счета в цифровом частотомере, где необходимы точные интервалы в 0,01 с.
Рис. 72 Схема узла для доработки импортных электронных часов
Рис. 73 Фрагмент схемы электронных часов
Рис. 74 Печатная плата узла
Рис. 75 Вариант схемы электронных часов
6. Контроль исправности сигнальных ламп.
КОНТРОЛЬ ИСПРАВНОСТИ СИГНАЛЬНЫХ ЛАМП
Обеспечение безопасности движения автотранспорта прямо связано с исправностью сигнальных ламп - указателей поворотов, торможения и др. Сейчас с увеличением средней скорости на дорогах эта проблема становится более актуальной. Очевидно, поэтому на некоторые современные автомобили стали устанавливать электронные устройства, призванные "сообщать" водителю о перегорании ламп той или иной сигнальной системы.
Схема простейшего контролирующего устройства для автомобиля приведена на рис. 77. Оно позволяет водителю по работе контрольной лампы HL1 судить об исправности сигнальных ламп.
Эксплуатация этого устройства выявила некоторые его недостатки, о которых стоит сказать подробнее. В первую очередь следует отметить низкую температурную стабильность. При понижении температуры увеличивается напряжение, которое необходимо подать на эмиттерный
переход транзистора VT1 для включения контрольной лампы. К тому же увеличивается и необходимый для насыщения транзистора базовый ток, что также повышает порог срабатывания индикатора. В результате в холодную погоду контрольная лампа указателей поворота начинает включаться лишь после прогрева устройства, установленного в моторном отсеке.
Несколько снизить зависимость порога срабатывания от температуры можно уменьшением сопротивления резистораR1, однако это увеличивает риск порчи транзистора VT1 при возможных замыканиях в цепи контролируемых ламп.
Второй недостаток - необходимость тщательной подборки сопротивления токоизмерительного резистора R2, причем эту операцию можно выполнить только на автомобиле.
Серьезным недостатком является и то, что падение напряжения на резисторе R2 при двух исправных лампах равно почти 1 В (при одной перегоревшей - около 0,5 В), что заметно снижает их яркость.
Контролирующее устройство, схема которого показана на рис. 78, свободно от указанных недостатков. Пороговым элементом в нем служит операционный усилитель DA1, сравнивающий половину падения напряжения на токоизмерительном резисторе R3 с пороговым уровнем, устанавливаемым подстроечным резистором R5.
При отсутствии тока в цепи контролируемых ламп напряжение на неинвертирующем входе ОУ ниже, чем на инвертирующем. Напря-
жение на выходе ОУ близко к нулю, все транзисторы устройства закрыты, контрольная лампа не светит.
Если цепи ламп и сами лампы исправны, то при их включении на резисторе R3 возникает падение напряжения. В результате напряжение на инвертирующем входе ОУ становится меньше, чем на неинвертирующем, ОУ переключается, его выходное напряжение становится близким к напряжению питания. Транзистор VT1 открывается и входит в насыщение. Вслед за ним открывается и транзистор VT3, включая контрольную лампу, индицирующую исправность контролируемых ламп.
При неисправности одной из контролируемых ламп (или питающей ее цепи) падения напряжения на резисторе R3 недостаточно для переключения ОУ, контрольная лампа не включается. Это и служит водителю сигналом о необходимости проверить систему.
Резистор R7 обеспечивает небольшой гистерезис ОУ, способствующий более четкому его переключению. Транзистор VT2 защищает мощный транзистор VT3 от выхода из строя при возможных аварийных замыканиях в цепи контрольной лампы. Если ток в этой цепи превысит 300 мА, транзистор VT2 откроется и, шунтируя эмиттерный переход транзистора VT3, ограничит его коллекторный ток. Мощность, рассеиваемая при этом на транзисторе VT3, достигает примерно 3 Вт, поэтому такой режим не должен быть длительным.
Стабилитрон VD1 служит для защиты ОУ от кратковременных всплесков напряжения в бортовой сети. Если на автомобиле установлен электронный регулятор напряжения, например, описанный в [8], и электронный блок зажигания с оксидным конденсатором большой емкости, шунтирующим бортовую сеть [9], то стабилитрон VD1 не нужен.
Развязывающий диод VD2 необходим лишь в том случае, когда контрольная лампа использована еще в какой-либо цепи автомобиля (т. е. выполняет и другие функции).
Устройство можно существенно упростить, если вместо контрольной лампы использовать све-тодиод. При этом становятся излишними все транзисторы, диод VD2 и резисторы R10-R14, а контрольный светодиод подключают вместо резистора R10 (резистор R9 заменяют другим, сопротивлением около 1,5 кОм). К сожалению, яркость свечения светодиодов в ряде случаев их применения на автомобиле недостаточна, Повысить заметность индикатора можно применением группы последовательно включенных светодиодов вместо одиночного.
Все элементы размещены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, ее чертеж представлен на рис. 79.
В устройстве можно использовать практически любой ОУ широкого применения; корректирующий конденсатор Ск (на схеме не показан) устанавливают при необходимости на предусмотренное для него на печатной плате место. Транзисторы заменимы на любые кремниевые соответствующей структуры, VT1 и VT2 - маломощные, VT3 - средней или большой мощности.
Резистор R5 - СПЗ-19а. Резисторы R1 и R2, R4 и R6 следует подобрать попарно возможно более близкими по сопротивлению, различие не должно превышать 1%. Вообще же номиналы этих пар резисторов могут быть любыми в пределах 10...20 кОм. Лучше всего здесь использовать стабильные резисторы, например С2-29В.
Если резисторы с такой точностью подобрать не удастся, придется увеличить номинал подстроечного резистора R5 примерно до 2,2...3,3кОм, и включить его потенциометром - движок соединен с неинвертирующим входомОУ, а нижний по схеме вывод - с верхним выводом резистора R6. При этом плавность подстройки тока срабатывания ухудшится.
Резистор R3 - самодельный, он представляет собой жгут из четырех проводов диаметром 0,8 мм из высокоомного сплава, свитый в виде пружины. Длину жгута подбирают так, чтобы при токе 5 А падение напряжения на нем было в пределах 0,25...0,3 В. Резистор R3 удобно собрать из двух типа С5-14В (С5-16В, С5-17В) мощностью не менее 0,5 Вт и сопротивлением по 0,1Ом, соединенных параллельно.
Налаживание устройства заключается в установке резистором R5 необходимого порога срабатывания. Эту операцию следует выполнять после установки узла на автомобиль. Подают питание на контролируемые лампы, вращая движок, устанавливают его на границу включения контрольной лампы и отмечают положение шлица карандашом. Затем удаляют одну из контролируемых ламп, снова находят границу включения контрольной лампы и еще раз отмечают положение шлица. После этого устанавливают движок в среднее между отметками положение.
Изготовленный экземпляр устройства позволял подстраивать порог тока срабатывания от 0,5 до 5 А.
Контролирующее устройство можно сделать двухканальным -исправность ламп указателя поворотов и стоп-сигнала будет индицировать одна лампа. Для этого оно должно содержать два канала. включающие в себя все элементы, показанные на схеме рис. 78 левее базы транзистора VT1, и общий выходной узел на транзисторах VT1-VT3. Точку соединения резисторов R9 каждого канала подключают к общему резистору R10 и базе транзистора VT1. Элементы R8, С1, VD1 могут быть также общими для обоих каналов. В таком устройстве удобно использовать сдвоенный ОУ К140УД20.
Световой индикатор целесообразно дополнить звуковым сигнализатором, включающимся лишь при перегорании лампы. Схема одного из вариантов такого сигнализатора показана на рис. 80.
Сигнализатор представляет собой генератор пачек импульсов, собранный на элементах DD1.1-DD1.4, частота повторения пачек -около 4 Гц, частота заполнения - 1000 Гц. При подаче напряжения питания и высокого уровня с выхода ОУ DA1 (когда лампы исправны и включены), генератор заторможен. Если же одна из ламп перегорает, на выходе ОУ DA1 появляется низкий уровень и генератор начинает работать. На транзисторе VT4 собран усилитель тока, нагрузкой которого служит звукоизлучатель НА1. Таким образом, при перегорании лампы звучит прерывистый звуковой сигнал.
В сигнализаторе допустимо также использовать микросхемы КР1561ЛЕ5 или 564ЛЕ5. Звукоизлучателем может работать капсюль ДЭМ-4 или любой другой сопротивлением 50... 100 Ом.
Рис. 77 Простейшее контролирующее устройство
Рис. 78 Принципиальная схема контролирующего устройства
Рис. 79 Печатная плата контролирующего устройства
Рис. 80 Звуковой сигнализатор
7. Автоматическая водокачка.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ВОДОКАЧКА
В радиолюбительской литературе можно найти описания различных устройств для автоматизации работы насоса, откачивающего воду из подвала или накачивающего воду из колодца в резервуар. В них предусматривался контроль за уровнем воды лишь в одном месте - источнике или приемнике воды. Однако при ограниченном поступлении воды в колодец необходим автомат, контролирующий уровни сразу в двух местах. Он должен автоматизировать работу насоса для получения максимально возможного количества воды. Конечно, при этом необходимо следить за тем, чтобы приемный резервуар не переполнялся. Схема автомата, обеспечивающего необходимый алгоритм работы насоса, приведена на рис. 81.
К контактам XI - Х5 подключены датчики уровня, опущенные в воду. Датчик, подключаемый к контакту XI, установлен в приемном резервуаре на 10 мм ниже его верхнего края, к контакту Х2 - на 100 мм ниже. Аналогично, датчик, подключенный к контакту Х4, находится у дна колодца примерно на 50 мм выше уровня заборных отверстий вибрационного насоса или клапана центробежного, датчик от контакта ХЗ еще на 100 мм выше. Контакт Х5 подключен к корпусу приемного резервуара и к металлической трубе, по которой откачивается вода из колодца.
Если датчики сухие, на соответствующие входы микросхемы DD1 через резисторы R1 - R8 подается напряжение источника питания +9 В, если они находятся в воде, напряжение на входах микросхемы за счет проводимости воды близко к нулю.
Рассмотрим работу автомата с момента включения в сеть. Пусть в колодце достаточно воды, а приемный резервуар пуст. В этом случае на входах 1 и 2 элемента DD1.1 высокий логический уровень, на входах 3 и 4 DD1.2 - низкий. Эти элементы представляют собой мажоритарные клапаны [З], сигнал на выходе которых соответствует большинству сигналов на входах. Поэтому на выходе элемента DD1.1 будет высокий уровень, на выходе DD1.2 - низкий. На двух входах элемента DD2.2 - высокий уровень, поэтому на его выходе -низкий, на выходе DD2.3 - высокий, он открывает транзистор VT1. Включается тринисторный оптрон U1, он замыкает между собой анод и управляющий электрод симистора VS1 через резистор R 13. Симистор включается и подает напряжение на электродвигатель насоса Ml. Поскольку автор использовал трехфазный двигатель, напряжение на один из его выводов подается через фазосдвигающий конденсатор С8.
При включении автомата в сеть конденсатор С5 разряжен. Поскольку на выходе элемента DD2.2 низкий уровень, он через
конденсатор С5 передается на вход элемента DD2.4 и на его выходе появляется высокий уровень, открывающий транзистор VT2. Включается оптрон U2, симистор VS2 подключает параллельно С8 пусковой конденсатор С9, происходит быстрый запуск двигателя Ml.
Напряжение на нижней по схеме обкладке повышается за счет тока через резистор R10. Примерно через 3 с оно поднимется до порога переключения элемента DD2.4 и на его выходе появится низкий уровень, пусковой конденсатор С9 отключится. Время выбрано с большим запасом, гарантирующим пуск. В то же время оно недостаточно, чтобы двигатель перегрелся.
Далее возможны два варианта работы. Предположим, что воды в колодце много и ее достаточно для наполнения приемного резервуара. Поэтому через некоторое время после пуска вода подойдет к датчику, подключенному к контакту Х2, на входе 2 элемента DD1.1 появится низкий уровень. Выходной сигнал этого элемента, однако, не изменится, поскольку на его входах 13 и 1 - высокий уровень. Когда же резервуар наполнится, низкий уровень появится и на входе 1 DD1.1. Поскольку на двух входах этого элемента низкий уровень, такой же сигнал появится и на его выходе, двигатель Ml остановится.
При отборе воды из резервуара вначале высокий уровень появится на входе 1 элемента DD1.1. Это не изменит его состояния, поскольку на его входах 13 и 2 низкий уровень. Лишь когда уровень воды станет ниже датчика, подключенного к контакту Х2, на двух входах этого элемента будет высокий уровень, который включит двигатель насоса.
Таким образом, элемент DD1.1 образует триггер, устанавливаемый в единичное состояние подачей на два его входа высокого уровня и в нулевое состояние подачей на них низкого. Гистерезис по уровню воды позволяет избежать слишком частых включений двигателя.
Аналогично управляется насос в случае, когда воды в колодце недостаточно для наполнения резервуара. Он выключается, когда уровень станет ниже уровня, задаваемого датчиком, подключенным к контакту Х4, и включается, когда он станет выше датчика, подключенного к контакту ХЗ.
Резисторы R5 - R8 и конденсаторы С1 - С4 защищают входы микросхемы DD1 от статического электричества и помех, наводимых в проводах и датчиках. Резистор R9 ограничивает выходной ток элемента DD2.2 при перезарядке конденсатора С5. Резисторы R11 и R 12 определяют ток через светодиоды оптронов U1 и U2, резисторы R 13 и R 14 ограничивают ток через их динисторы и управляющие электроды симисторов VS1 и VS2 в момент включения. Резистор R 16 служит для разрядки конденсатора С9 после его отключения от С8, а
R 15 ограничивает ток через симистор VS2 в момент его повторного включения, если С9 не успел полностью разрядиться.
Источник питания устройства собран по простейшей схеме без стабилизации напряжения, поскольку микросхемы серии К561 допускают напряжение питания от 3 до 15 В.
Если в насосе установлен однофазный двигатель, не требующий на момент пуска подключения дополнительного конденсатора, или используется вибрационный насос, элементы, начиная с R9 и заканчивая R16, устанавливать не нужно. Необходимо лишь помнить, что входы неиспользуемого элемента DD2.4 следует соединить с общим проводом или выводом 14 этой микросхемы.
Устройство собрано в виде этажерки и накрыто колпаком, изготовленным из полиэтиленовой канистры от автомобильного масла. На нижней пластине из текстолита толщиной 6 мм установлены конденсаторы С8 и С9, к выводам С9 подпаян резистор R16. Верхняя плата - печатная 80 х 180 мм из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На ней размещены все остальные детали автомата. Чертеж фрагмента платы приведен на рис. 82. Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ соответствующей мощности, конденсаторов КМ-6 (С1 - С4, С6), К50-16 (С5) и К50-35 (С7). В качестве С7 можно также
установить К50-6 или К50-16, но расстояние между выводами у них 7,5 мм, это следует учесть при изготовлении печатной платы. Вместо транзисторов КТ315Г можно установить любые транзисторы структуры n-р-n малой или средней мощности, имеющие коэффициент передачи тока базы не менее 40 (при токе коллектора 30...50 мА). Микросхему К561ЛП13 можно заменить на К561ИК1 [З], соединив ее управляющие входы (выводы 7 и 9) с общим проводом.
Вместо диодных мостов можно использовать любые диоды на рабочий ток не менее 100 мА, для замены VD1 и VD2 годятся диоды с рабочим напряжением не менее 300 В. Тринисторные оптроны серии АОУ103 могут использоваться с буквенными индексами Б и В, симисторы КУ208 - В и Г.
Трансформатор питания Т1 использован типа ТПП220, все вторичные обмотки которого соединены последовательно. Можно установить любой трансформатор, обеспечивающий на вторичной обмотке напряжение 7...9 В при токе до 150 мА, например практически от любого адаптера. Кстати, от адаптера можно использовать конденсатор С7 и диоды для замены моста VD3.
Резистор R16 - проволочный остеклованный, его сопротивление может быть в пределах 20...33 Ом. Емкость конденсаторов С8 и С9 указана для двигателя АОЛ22-43Ф мощностью 400 Вт, обмотки которого включены треугольником. При другой мощности их
емкость должна быть пропорционально изменена. Конденсаторы С8 и С9 - металлобумажные МБГО, МБГТ, МБГП на напряжение не менее 400 В или МБГЧ, К42-19 на 250В.
Датчики представляют собой плоские спирали с наружным диаметром примерно 25 мм, плотно свитые из оголенных концов медного или алюминиевого осветительного провода в двойной изоляции сечением 2 х 1,5 или 2 х 2,5 мм2. На рис. 83 приведен возможный вариант их установки. Здесь 1 - труба, 2 -вибрационный насос или клапан центробежного, 3 - датчики-спирали, 4 - провод в изоляции. Для уменьшения шунтирования
датчиков по поверхности проводов 4 их длина в изоляции от места разделения должна быть не менее 200 мм. Если поступление воды в колодец достаточно большое, расстояние между датчиками можно существенно увеличить, что уменьшит частоту включения насоса.
Рис. 81 Принципиальная схема автоматической водокачки
Рис. 82 Фрагмент печатной платы автоматической водокачки
Рис. 83 Установка датчиков
8. Автомат управления освещением.
АВТОМАТ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ
В подъезде жилого дома, на даче, в садоводческом товариществе полезно иметь устройство, автоматически включающее освещение при наступлении темноты. Схема такого автомата приведена на рис. 84. Питание он получает от сети через гасящий конденсатор С4 и диодный мост VD4. При закрытом транзисторе VT1 ток через обмотку реле К1 открывает транзистор VT2 и этот транзистор шунтирует собой обмотку. Напряжение на обмотке при этом составляет 2...4 В, реле отпущено. Лампы освещения, включенные через нормально разомкнутые контакты реле, погашены.
Ток, текущий через транзистор VT2 и диод VD2, проходит также через стабилитрон VD3 и создает на нем падение напряжения 12 В для работы управляющей части устройства.
Пока уровень естественного освещения достаточен, напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1 меньше, чем на неинвертирующем. Напряжение на выходе ОУ близко к напряжению на плюсовом выводе конденсатора С3, транзистор VT1 закрыт и устройство находится в описанном выше состоянии.
По мере уменьшения освещенности сопротивление фоторезистора возрастает, напряжение на неинвертирующем входе ОУ увеличивается. При достижении уровня, заданного подстроечным резистором R4, ОУ переключается, напряжение на выходе ОУ становится близким к напряжению на минусовом выводе конденсатора СЗ. Транзистор VT1 открывается и входит в насыщение, напряжение на его эмиттере практически сравнивается с напряжением на коллекторе, что приводит к закрыванию транзистора VT2. Ток питания
полностью проходи! через обмотку реле К1, оно срабатывает и включает освещение.
Отметим, что почти весь ток обмотки реле продолжает питать управляющую часть устройства, лишь малая его часть, ответвляется в резистор R6 и выход ОУ.
Резистор R5 обеспечивает гистерезис, необходимый для того, чтобы малые изменения освещенности в районе порога срабатывания не приводили к многократным включениям и выключениям осветительных ламп. Конденсатор С1 устраняет сетевые наводки и замедляет срабатывание автомата, что уменьшает вероятность выключения ламп при кратковременном освещении фоторезистора, например, светом фар проходящих автомобилей. Стабилитрон VD1 обеспечивает четкое закрывание транзистора VT1, а диод VD2 -транзистора VT2. Резистор R3 не позволяет при подстройке уровня срабатывания перейти максимально допустимый уровень синфазного напряжения на входе ОУ, выше которого ОУ уже не работает.
В автомате было применено реле типа РПУ-2 с сопротивлением обмотки 4,5 кОм и рабочим напряжением 110 В. Оно имеет по две пары замыкающих и размыкающих контактов, ток через каждую пару может по оценке автора достигать 10 А. Емкость конденсатора С4 была подобрана для обеспечения номинального напряжения на обмотке при закрытом транзисторе VT2. Устройство сохраняет работоспособность при емкости С4 в пределах 0,22...0,47 мкф.
Автор использовал фоторезистор ФСД-Г1, чем объясняется высокое сопротивление резистора R1. Если применить фоторезистор ФСК-Г1 или СФ2-5, сопротивление резистора R1 нужно будет уменьшить примерно до 1МОм, а емкость конденсатора С1 -увеличить до 2,2мкф.
При такой же замене фоторезистора можно в качестве ОУ DA1 установить К140УД6 или К140УД7. Транзистор VT1 - любой кремниевый маломощный структуры р-n-р (например серий КТ361, КТ502 или КТ3107 с любым буквенным индексом). Хотя при работе автомата напряжение на транзисторе VT2 не превышает 110 В, в момент включения устройства в сеть к нему может быть приложено полное амплитудное напряжение сети - около 300 В, поэтому его допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно быть не менее указанной величины. Подойдут КТ506А(Б), КТ604А(Б, AM, БМ), КТ605А(Б, AM, БМ), КТ850Б, КТ854А(Б), КТ859А.
Стабилитрон VD1 - любой малогабаритный на напряжение 4,7...7,5 В, VD3 - на напряжение стабилизации 11...15 В и ток не менее рабочего тока реле К1 с запасом 50% (для РПУ-2 - 25..,30 мА), например, Д814Г, КС512А, КС512Б, КС515Г. Диодный мост
КЦ407А может быть заменен на четыре любых диода на напряжение не менее 300 В. Конденсатор С3 - импортный аналог К50-35.
Все элементы устройства размещены на печатной плате размерами 60 х 60 мм (рис. 85). Плата рассчитана на установку двух конденсаторов К73-17 0,22 мкФ 630 В в качестве С4. Их рабочее напряжение должно быть не менее 400 В, можно также использовать К73-16. Резисторы - типа МЛТ (R1 - С1-4 0,25 Вт или КИМ-0,125), подстроечный резистор R4 - СП3-19.
Плата помещена внутрь защитного кожуха реле. Для этого крепежные отверстия в основании реле для его механизма расточены надфилем и механизм смещен в сторону насколько это возможно. К основанию подклеен брусок из органического стекла и к нему привинчена плата.
Выводы обмотки реле отсоединены от контактных ламелей и подпаяны к соответствующим штырькам платы, в качестве которых использованы контакты диаметром 1 мм от разъема 2РМ. К освободившимся ламелям подключены проводники питания 220 В платы, фоторезистор подключен двумя свитыми проводами непосредственно к контактам платы.
Регулировку устройства вначале проводят от источника питания с напряжением, несколько меньшим напряжения стабилизации VD3, подключив его параллельно указанному стабилитрону. Фоторезистор следует затенить так, чтобы его освещенность была близка к
той, при которой должно происходить включение уличного освещения. Подключив вольтметр к выходу ОУ и минусовому выводу СЗ и вращая движок подстроенного резистора R4, проверить, что напряжение на выходе изменяется скачком где-то в средней части диапазона регулировки. Если переключения не происходит, следует вольтметром с входным сопротивлением не менее 10 МОм проверить напряжение на фоторезисторе - оно должно быть близко к половине от напряжения на конденсаторе СЗ. Если это не так, подобрать резистор R1.
При затемненном или отключенном фоторезисторе подать сетевое напряжение, реле должно сработать. Соблюдая осторожность, проверить напряжение на его обмотке. Оно должно быть близко к номинальному для этого типа реле. Если это не так, подобрать емкость конденсатора С4.
Реле РПУ-2 имеет специальный виток, охватывающий часть сердечника и делающий реле нечувствительным к пульсациям напряжения питания. При применении других типов реле возможно придется поставить параллельно обмотке сглаживающий конденсатор емкостью порядка 1 мкФ.
Фоторезистор следует установить в защищенном от осадков месте так, чтобы на него не падал свет включаемых им ламп и солнечные лучи. Для выполнения последнего условия его можно сориентировать на север, прикрыв с запада и востока небольшими экранами.
Окончательную подстройку резистора R4 следует произвести на месте установки автомата, добиваясь включения реле при пороговой освещенности.
Если на месте R2 установить терморезистор и соответствующим образом подобрать R1, получится неплохой термостабилизатор.
Рис. 84 Принципиальная схема автомата управления освещением
Рис. 85 Печатная плата автомата управления освещением
9. Многоканальная система тревожной сигнализации.
МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ТРЕВОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
Описываемая здесь система предназначается для подачи сигналов тревоги от 12 источников, например, охранных датчиков пожарной сигнализации в садоводческих коллективах, по двум проводам на пульт индикации. Особенность системы - постоянный самоконтроль ее исправности.
Система состоит из двенадцати идентичных блоков кодирования с датчиками тревожного сигнала на их входах и пульта декодирования и индикации, соединенных между собой двухпроводной линией связи. Работая поочередно, каждый блок кодирования может выдавать сигнал "Норма" или "Тревога". Отсутствие сигналов от какого-либо
из блоков индицируется как неисправность этого блока или его датчика.
Для идентификации блоков кодирования используется числоимпульсный код - первый из них выдает в линию пачки из трех импульсов, второй - из четырех, двенадцатый - из 14-ти. В состоянии "Норма" длительность импульсов в пачке равна длительности пауз между ними. Блок кодирования, на вход которого от датчика поступил сигнал тревоги, выдает импульсы втрое большей длительности при сохранении пауз.
Блоки кодирования построены так, что для выдачи сигнала "Норма" или "Тревога" они автоматически выстраиваются в очередь в порядке возрастания числа импульсов в сигнале. Выключение, отсутствие или неисправность какого-либо из них, из-за чего прекращается выдача импульсов, не приводят к нарушению работы других блоков кодирования. В предельном случае возможна работа даже одного блока.
Система построена на микросхемах серий К176 и К561. Для повышения помехоустойчивости амплитуда импульсов в линии выбрана равной 50 В.
Каждый из блоков кодирования (рис. 86) работает следующим образом. На его вход "Линия" от других блоков системы приходят пачки импульсов отрицательной (относительно источника напряжения +50 В) полярности амплитудой 50 В. Делитель R1R2 приводит их к нормальному для микросхем КМОП уровню. Цепь DD1.2, R5, С1 подавляет короткие импульсные помехи и обеспечивает импульсам пачки крутые фронты. Элемент DD1.3, диод VD1, резистор R6 и конденсатор С2 формируют импульс отрицательной полярности, фронт которого совпадает с фронтом первого импульса в пачке на выходе элемента DD1.2, а спад несколько задержан относительно спада последнего импульса пачки. Формирователь DD1.4, R7, СЗ по фронту и спаду импульса на выходе элемента DD1.3 вырабатывает короткий импульс положительной полярности, который, пройдя через элементы DD2.1 и DD2.2, устанавливает счетчики DD3 и DD5 в нулевое состояние. Счетчик DD5 во время паузы между пачками считает тактовые импульсы, следующие с частотой 256 Гц, измеряя таким образом длительность паузы между пачками.
Тактовые импульсы формируются кварцованным генератором на элементе DD1.1 с делителем их частоты на микросхеме DD3, что обеспечивает высокую стабильность работы системы и исключает необходимость дополнительной настройки генератора. Работа делителя DD3, входящего в генератор, синхронизирована с началом и концом пачки импульсом, поступающим на его вход R.
Если длительность паузы превышает 16 периодов тактовых импульсов, сигналом с выхода 16 счетчика DD5 D-триггер DD7.2 устанавливается в единичное состояние (это происходит одновременно во всех блоках кодирования), после чего продолжается измерение паузы (рис. 87) И если подвижный контакт переключателя
SA1 находится в положении 1 , то спустя три импульса после переключения этого триггера сигнал лог. 1 с выхода 3 дешифратора DD8 включает элемент DD10.1, лог. 0 с его выхода через элемент DD2.2 устанавливает счетчики DD3, DD5 в нулевое состояние, а D-триггер DD7.1 -в единичное. Сигнал лог. 1 с прямого выхода триггера DD7.1 разрешает прохождение тактовых импульсов через элементы DD10.3 и DD4.4 на базу транзистора VT1. При этом на коллекторе транзистора формируется пачка из трех импульсов отрицательной полярности.
Нагрузкой транзистора VT1 служит резистор, находящийся в
блоке декодирования и индикации (R46 на рис. 88). Счетчик DD5 считает импульсы пачки, приходящие на его вход С через элемент DD2.3. По окончании третьего импульса на выходе 3 дешифратора DD8 появляется лог. 1. Этот сигнал не включает элемент DD10.1, так как на выходе элемента DD1.3 лог. 0, но устанавливает триггер DD7.1 в нулевое состояние, что, в свою очередь, переводит триггер DD7.2 в такое же состояние. В результате блок кодирования прекращает выдачу импульсов до появления паузы в 16 импульсов, которая во всех блоках кодирования переключает триггеры DD7.2 и активизирует их работу.
В том случае, если во втором блоке кодирования переключатель SA1 установлен в положение "2", то после паузы в четыре импульса этот блок выдаст пачку в четыре импульса и также прекратит работу до появления паузы в 16 импульсов. Следующим сработает блок, в котором переключатель SA1 находится в положении "4", и выдаст пять импульсов, и т. д. Несоответствие порядка работы блоков положениям переключателей не принципиально и обусловлено лишь упрощением разводки печатных плат.
После срабатывания последнего блока триггеры DD7.1 всех блоков устройства запрещают выдачу импульсов. Возникает пауза в 16 импульсов, активизирующая работу всех блоков, и цикл работы устройства повторяется.
Длительность полного цикла работы всех блоков кодирования при частоте тактовых импульсов 256 Гц чуть меньше 1 с.
Диод VD2 включает формирователь на элементе DD1.3 в момент начала первого импульса собственной пачки блока. Без диода первый импульс пачки получается несколько большей длительности из-за задержки фронтов импульсов в формирователе на элементе DD1.2.
В зависимости от положения переключателя SA1 блок кодирования выдает от 3 до 14 импульсов в пачках. На случай нарушения контакта в переключателе введен резистор R 12, обеспечивающий выдачу пачки в 15 импульсов. Если такого резистора не будет, то при нарушении контакта в переключателе возможна непрерывная подача импульсов блоком в линию, что нарушит работу системы в целом.
Так работают блоки кодирования в состоянии "Норма". Если, однако, на входе "Тревога" какого-либо блока появляется сигнал лог. 0, то триггерDD6, ранее блокированный по входу S, переходит в режим деления частоты на 2. В этом случае длительность генерируемых импульсов в пачке увеличивается в три раза при сохранении интервалов между ними, а число импульсов сохраняется. Из-за отсутствия синхронизации работы триггера DD6 с моментом начала выдачи пачки первый ее импульс в режиме "Тревога" может быть как утроенной, так и нормальной длительности. Если сигнал лог. 0 приходит на вход "Неисправность", то выдача импульсов этим блоком прекращается.
Схема блока декодирования и индикации приведена на рис. 88 и 89. Элементы DD4.1, DD4.2, DD1.2, DD1.3, счетчики DD2 и DD3 работают так же, как подобные детали блоков кодирования. Обнуляющие их импульсы формируются цепью C5R7 в начале принимаемой блоком пачки импульсов (рис. 90). В конце пачки формируется последовательность из двух импульсов - первый на выходе элемента DD4.3 стробирует дешифраторы "DD9-DD 12, а следующий за ним второй устанавливает счетчики DD2, DD3, RS-триггер из элементов DD5.4, DD6.1 в нулевое состояние. После прихода пачки в счетчике DD3 будет записано число импульсов в ней, а в момент окончания пачки при стробировании дешифраторов на соответствующем выходе дешифратора DD9 или DD10 появляется положительный импульс, который устанавливает один из 12-ти RS-триггеров микросхем DD13-DD15 в единичное состояние..
После выдачи всеми блоками кодирования "своих" пачек импульсов разной длительности все 12 RS-триггеров микросхем DD13-DD15 установятся в единичное состояние. При паузе, соответствующей 16 тактам, на выходе 16 счетчика DD3 появится лог. 1, формирующая последовательность из двух импульсов. Первый из них, возникающий на выходе элемента DD7.2, переписывает состояния триггеров микросхем DD13-DD18 в триггеры микросхем DD19-DD24, в результате чего вспыхнут зеленые светодиоды HL1-HL2, инфицируя исправность блоков кодирования и их датчиков. Второй же из этих импульсов, появившийся на выходе элемента DD8.1, установит триггеры микросхем DD13-DD18 в нулевое состояние.
В случае появления пачки импульсов утроенной длительности -сигнал "Тревога" - по первому же ее импульсу срабатывает формирователь на элементе DD4.4 и диоде VD2, его выходной сигнал установит RS-триггер DD5.4DD6.1 в единичное состояние, что разрешит стробирование дешифраторов DD11, DD12. В результате после окончания пачки импульсов соответствующий триггер микросхем DD16 - DD18 установится в единичное состояние, RS-
триггер DD5.4DD6.1 - в исходное состояние, а после паузы в 16 тактов переключится в единичное состояние один из триггеров микросхем DD22 -DD24 и включит соответствующий ему красный светодиод HL13 - HL24, индицирующий тревогу.
Если в каком-либо из блоков кодирования или его датчике окажется неисправность, то соответствующий
ему зеленый светодиод не включится, а на резисторе R13 возникнет лог. 1. Этот сигнал переключит элемент DD26.1 в нулевое состояние, что, в свою очередь, разрешит прохождение импульсов частотой 512 Гц через элементы DD26.2, DD26.4 и транзистор VT3, к звукоизлучателю ВА1. Звуковой сигнал излучателя может быть отключен тумблером SA1.
Микросхема DD25 считает импульсы, следующие частотой 256 Гц, и устанавливается в нулевое состояние в начале каждой пачки импульсами, поступающими на ее вход R. Если пачки импульсов в линии отсутствуют в течение 4 с или импульсы идут непрерывно, импульсы обнуления счетчика DD25 не вырабатываются и на его выходе формируются импульсы длительностью 4 с с таким же интервалом между ними. Теперь мигает красный светодиод HL25 "Неисправность линии", звучит головка ВА1, сигнал которой также можно отключить тумблером SA1.
При нажатии на кнопку SB1 счетчик DD27 устанавливается в нулевое состояние и фиксируется в нем, так как в это время на обоих входах элемента DD8.3 присутствует лог. 0. При сигнале "Тревога" включается транзистор VT2, а сигнал лог. 0 с выхода элемента DD8.3 разрешает работу счетчика DD27. Импульсы частотой 1024 Гц проходят через элементы DD26.3 и DD26.4 на звукоизлучатель ВА1 - раздается звуковой сигнал, который можно отключить тумблером SA2. Если длительность сигнала "Тревога" не превышает 16 с, то после его окончания счетчик фиксируется в нулевом состоянии, что обеспечивает выключение звукового сигнала при случайном срабатывании системы. При длительности сигнала "Тревога" более 16 с лог. 1 с выхода 212 счетчика DD27 запрещает дальнейший счет и предотвращает обнуление его при снятии сигнала "Тревога". Кроме того, лог. 1 с того же выхода счетчика поступает на вход элемента DD8.1 и запрещает установку RS-триггеров микросхем DD13 - DD18 в нулевое состояние, что не позволяет погаснуть светодиодам, индицирующим номера сработавших датчиков, но позволяет включиться другим светодиодам. Такое состояние устройства поддерживается до нажатия на кнопку SB1.
Блоки кодирования собраны на двусторонних печатных платах размерами 55 х 95 мм, а блок декодирования и индикации - на плате размерами 130х 130 мм. Никакого налаживания блоки не требуют. Проверить же их работоспособность можно поочередным подключением блоков кодирования к блоку декодирования и сигнализации и установкой переключателей SA1 блоков кодирования в различные положения.
Ток, потребляемый одним блоком кодирования от источника стабилизированного напряжения 8...10 В, не превышает 1 мА, а потребляемый блоком декодирования и индикации от источника такого же напряжения определяется числом одновременно включенных светодиодов, а также сигналом "Тревога", и может быть 100...200 мА. От источника питания +50 В ток потребляет только резистор R46 (рис. 87), он составляет в среднем 20...25 мА.
Автором проверена работа системы при длине двухпроводной линии связи 200 м. Если для линии связи использовать экранированный провод, то можно обойтись без источника + 50 В, уменьшив сопротивление резистора R46 до 330 Ом (0,5 Вт) и подключив его верхний (по схеме на рис. 88) вывод к источнику +10 В. При этом делители R1R2 во всех блоках и резистор R3 (см. рис. 86) следует исключить. Более того, по тому же проводу можно питать блоки
кодирования, дополнив их элементами по схеме рис. 91,а, а блок декодирования и индикации - по схеме рис. 91,6.
Линия связи необязательно должна быть проводной. Можно, например, каждый блок кодирования дополнить радиопередатчиком, манипулируемым выходным сигналом с коллектора транзисто
ра VT1, и радиоприемником, выходной сигнал которого через резистор R5 поступает на вход 13 элемента DD1.2, а блок декодирования и индикации - радиоприемником. Все эти радиоаппараты настраивают на одну частоту.
Рис. 86 Принципиальная схема блока кодирования
Рис. 87 Временная диаграмма работы блока кодирования
Рис. 89 Узел сигнализации блока декодирования и индикации
Рис. 90 Временная диаграмма работы блока декодирования и индикации
Рис. 91 Питания блоков кодирования по сигнальному проводу
Рис.88а Принципиальная схема блока декодирования и индикации
Рис.88б Принципиальная схема блока декодирования и индикации
9. Печатные платы в радиолюбительской практике
Печатные платы в радиолюбительской практике.
1. Разработка и изготовление печатных плат.
РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
При разработке различных устройств радиолюбители пользуются обычно двумя способами изготовления печатных плат - прорезанием канавок и травлением рисунка, используя стойкую краску. Первый способ прост, но непригоден для выполнения сложных устройств. Второй - более универсален, но порой пугает радиолюбителей сложностью из-за незнания некоторых правил при проектировании и изготовлении травленых плат. Об этих правилах и рассказывается в разделе.
Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 2:1 на миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм. При проектировании в масштабе 1:1 рисунок получается мелким, плохо читаемым и поэтому при дальнейшей работе над печатной платой неизбежны ошибки. Масштаб 4:1 приводит к большим размерам чертежа и неудобству в работе.
Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что соответствует шагу 2,5 мм на реальной плате (далее по тексту указаны реальные размеры). С таким шагом расположены выводы у большинства микросхем в пластмассовом корпусе, у многих транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее расстояние между отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это крайне необходимо.
В отверстия с шагом 2,5 мм, лежащие на сторонах квадрата 7,5 х 7,5 мм, удобно монтировать микросхему в круглом металлостеклянном корпусе. Для установки на плату микросхемы в пластмассовом корпусе с двумя рядами жестких выводов в плате необходимо просверлить два ряда отверстий. Шаг отверстий - 2,5 мм, расстояние между рядами кратно 2,5 мм. Заметим, что микросхемы с жесткими выводами требуют большей точности разметки и сверления отверстий.
Если размеры печатной платы заданы, вначале необходимо начертить ее контур и крепежные отверстия. Вокруг отверстий выделяют запретную для проводников зону с радиусом, несколько
превышающим половину диаметра металлических крепежных элементов.
Далее следует примерно расставить наиболее крупные детали -реле, переключатели (если их впаивают в печатную плату), разъемы, большие детали и т.д. Их размещение обычно связано с общей конструкцией устройства, определяемой размерами имеющегося корпуса или свободного места в нем. Часто, особенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы.
Цифровые микросхемы предварительно расставляют на плате рядами с межрядными промежутками 7,5 мм. Если микросхем не более пяти, все печатные проводники обычно удается разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проволочных перемычек, впаиваемых со стороны деталей. Попытки изготовить одностороннюю печатную плату для большего числа цифровых микросхем приводят к резкому увеличению трудоемкости разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих случаях разумнее перейти к двусторонней печатной плате.
Условимся называть ту сторону платы, где размещены печатные проводники, стороной проводников, а обратную - стороной деталей, даже если на ней вместе с деталями проложена часть проводников. Особый случай представляют платы, у которых и проводники, и детали размещены на одной стороне, причем детали припаяны к проводникам без отверстий. Платы такой конструкции применяют редко.
Микросхемы размещают так, чтобы все соединения на плате были возможно короче, а число перемычек было минимальным. В процессе разводки проводников взаимное размещение микросхем приходится менять не раз.
Рисунок печатных проводников аналоговых устройств любой сложности обычно удается развести на одной стороне платы. Аналоговые устройства, работающие со слабыми сигналами, и цифровые на быстродействующих микросхемах (например, серий КР531, КР1531, К500, КР1554) независимо от частоты их работы целесообразно собирать на платах с двусторонним фольгированием, причем фольга той стороны платы, где располагают детали, будет играть роль общего провода и экрана. Фольгу общего провода не следует использовать в качестве проводника для большого тока, например, от выпрямителя блока питания, от выходных ступеней, от динамической головки.
Далее можно начинать собственно разводку. Полезно заранее измерить и записать размеры мест, занимаемых используемыми элементами. Резисторы МЛТ-0,125 устанавливают рядом, соблюдая
расстояние между их осями 2,5 мм, а между отверстиями под выводы одного резистора - 10 мм. Так же размечают места для чередующихся резисторов МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25, либо двух резисторов МЛТ-0,25, если при монтаже слегка отогнуть один от другого (три таких резистора поставить вплотную к плате уже не удастся).
С такими же расстояниями между выводами и осями элементов устанавливают большинство малогабаритных диодов и конденсаторов КМ-5 и КМ-6, вплоть до КМ-66 емкостью 2,2 мкФ; не надо размещать бок о бок две "толстые" (более 2,5 мм) детали, их следует чередовать с "тонкими". Если необходимо, расстояние между контактными площадками той или иной детали увеличивают относительно необходимого.
В этой работе удобно использовать небольшую пластину-шаблон из стеклотекстолита или другого материала, в которой с шагом 2,5 мм насверлены рядами отверстия диаметром 1...1,1 мм, и на ней примерять возможное взаимное расположение элементов.
Если резисторы, диоды и другие детали с осевыми выводами располагать перпендикулярно печатной плате, можно существенно уменьшить ее площадь, однако рисунок печатных проводников усложнится.
При разводке следует учитывать ограничения в числе проводников, умещающихся между контактными площадками, предназначенными для подпайки выводов радиоэлементов. Для большинства
используемых в радиолюбительских конструкциях деталей диаметр отверстий под выводы может быть равен 0,8 мм. Ограничения на число проводников для типичных вариантов расположения контактных площадок с отверстиями такого диаметра приведены на рис. 135 (сетка соответствует шагу 2,5 мм на плате).
Между контактными площадками отверстий с межцентровым расстоянием 2,5 мм провести проводник практически
нельзя. Однако это можно сделать, если у одного или обоих отверстий такая площадка отсутствует (например, у неиспользуемых выводов микросхемы или у выводов любых деталей, припаиваемых на другой стороне платы). Такой вариант показан на рис. 135 посредине вверху.
Вполне возможна прокладка проводника между контактной площадкой, центр которой лежит в 2,5 мм от края платы, и этим краем (рис. 135 справа).
При использовании микросхем, у которых выводы расположены в плоскости корпуса (серии 133, К134 и др.), их можно смонтировать, предусмотрев для этого соответствующие фольговые контактные площадки с шагом 1,25 мм, однако это заметно затрудняет и разводку, и изготовление платы. Гораздо целесообразнее чередовать подпайку выводов микросхемы к прямоугольным площадкам со стороны деталей и к круглым площадкам через отверстия -на противоположной стороне (рис. 136;
ширина выводов микросхемы показана не в масштабе). Плата здесь - двусторонняя.
Подобные микросхемы, имеющие длинные выводы (например, серии 100), можно монтировать так же, как пластмассовые, изгибая выводы и про-
пуская их в отверстия платы. Контактные площадки в этом случае располагают в шахматном порядке (рис. 137).
При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне деталей осталось возможно меньшее число соединений. Это облегчит исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо, его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят лишь общий провод и провод питания, но подключать их нужно только к выводам питания микросхем. Проводники к входам микросхем, подключаемым к цепи питания или общему проводу, прокладывают на стороне проводников, причем так, чтобы их можно было легко перерезать при налаживании или усовершенствовании устройства.
Если же устройство настолько сложно, что на стороне деталей приходится прокладывать и проводники сигнальных цепей, позаботьтесь о том, чтобы любой из них был доступен для подключения к нему и перерезания.
При разработке радиолюбительских двусторонних печатных плат нужно стремиться обойтись без специальных перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки соответствующих выводов монтируемых деталей; выводы в этих случаях пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно некоторые детали подпаивать непосредственно к печатным проводникам.
При использовании сплошного слоя фольги платы в роли общего провода отверстия под выводы, не подключаемые к этому проводу, следует раззенковать со стороны деталей.
Обычно узел, собранный на печатной плате, подключают к другим узлам устройства гибкими проводниками. Чтобы не испортить печатные проводники при многократных перепайках, желательно предусмотреть на плате в точках соединений контактные стойки (удобно использовать штыревые контакты диаметром 1 и 1,5 мм от разъемов 2РМ). Стойки вставляют в отверстия просверленные точно по диаметру и пропаивают. На двусторонней печатной плате контактные площадки для распайки каждой стойки должны быть на обеих сторонах.
Предварительную разводку проводников удобно выполнять мягким карандашом на листе гладкой бумаги. Сторону печатных проводников рисуют сплошными линиями, обратную сторону -штриховыми.
По окончании разводки и корректировки чертежа под него кладут копировальную бумагу красящим слоем вверх и красной или зеленой шариковой ручкой обводят контуры платы, а также проводники и отверстия,относящиесяк стороне деталей. В результате на обратной стороне листа получится рисунок проводников для стороны деталей.
Далее следует вырезать из фольгированного материала заготовку соответствующих размеров и разметить ее с помощью штангенциркуля сеткой с шагом 2,5 мм. Кстати, размеры платы удобно выбрать кратными 2,5 мм - в этом случае размечать ее можно с четырех сторон. Если плата должна иметь какие-либо вырезы, их делают после разметки. Двустороннюю плату размечают со стороны, где проводников больше.
После этого фломастером размечают"по клеточкам" центры всех отверстий, накалывают их шиломи сверлят все отверстия сверлом диаметром 0,8 мм.
Для сверления плат удобно пользоваться самодельной миниатюрной электродрелью. Ее изготавливают на основе небольшого электродвигателя, лучше низковольтного. На его валу укрепляют сменные латунные патроны-втулки (рис. 138) на разные диаметры D сверла (например, 0,8, 1, 1,2 мм).
Обычные стальные сверла при обработке стеклотекстолита до-
вольно быстро тупятся; затачивают их небольшим мелкозернистым бруском, не вынимая сверла из патрона.
После сверления платы заусенцы с краев отверстий снимают сверлом большего диаметра или мелкозернистым бруском. Плату обезжиривают, протерев салфеткой, смоченной спиртом или ацетоном, после чего, ориентируясь на положение отверстий, переносят на нее нитрокраской рисунок печатных проводников в соответствии с чертежом.
Для этого обычно используют стеклянный рейсфедер, но лучше изготовить простой самодельный чертежный инструмент. К концу обломанного ученического пера припаять укороченную до 10... 15 мм инъекционную иглу диаметром 0,8 мм. Рабочую часть иглы надо зашлифовать на мелкозернистой наждачной бумаге.
В воронку инструмента каплями заливают нитрокраску и, осторожно взяв ее в губы, слегка дуют для того, чтобы краска прошла через канал иглы. После этого надо лишь следить за тем, чтобы воронка была наполнена краской не менее чем наполовину.
Необходимую густоту краски определяют опытным путем по качеству проводимых линий. При необходимости ее разбавляют ацетоном или растворителем 647. Если же надо сделать краску более густой, ее оставляют на некоторое время в открытой посуде.
В первую очередь рисуют контактные площадки, а затем проводят соединения между ними, начиная с тех участков, где проводники расположены тесно. После того, как рисунок в основном готов, следует по возможности расширить проводники общего провода и питания, что уменьшит их сопротивление и индуктивность, а значит, повысит стабильность работы устройства. Целесообразно также увеличить контактные площадки, особенно те, к которым будут припаяны стойки и крупногабаритные детали. Для защиты больших поверхностей фольги от травильного раствора их заклеивают любой липкой пленкой.
В случае ошибки при нанесении рисунка не торопитесь сразу же исправлять ее - лучше поверх неверно нанесенного проводника проложить правильный, а лишнюю краску удалить при окончательном исправлении рисунка (его проводят, пока краска не засохла). Острым скальпелем или бритвой прорезают удаляемый участок по границам, после чего его выскребают.
Специально сушить нитрокраску после нанесения рисунка не нужно. Пока вы исправляете плату, отмываете инструмент, краска просохнет. Для очистки канала иглы от краски удобно использовать отрезок тонкой стальной проволоки, который можно хранить в той же игле.
Травят плату обычно в растворе хлорного железа. Нормальной концентрацией раствора можно считать 20... 50%. Автор разводит 500 г порошка хлорного железа в горячей кипяченой воде до получения общего объема раствора, равного 1 л. Раствор хранят в обычной литровой стеклянной банке, а перед травлением подогревают до 45...60C, поставив банку в горячую воду.
Платы размерами до 130 х 65 мм удобно травить в этой же банке, подвесив их на медном обмоточном проводе диаметром 0,5...0,6 мм. Платы больших размеров травят в литровом полиэтиленовом пакете из под сока или фотографической кювете, для чего в угловые крепежные отверстия платы вставляют обломки спичек, обеспечивающие зазор 5...10 мм между платой и дном кюветы. Продолжительность травления - 10...60 мин, она зависит от температуры, концентрации раствора, толщины медной фольги. Для интенсификации процесса раствор перемешивают, покачивая банку или кювету. Поскольку раствор быстро остывает, банку или кювету лучше поставить в другой сосуд больших габаритов с горячей водой, ее периодически подогревают или заменяют воду. Травление проводят под вытяжкой или в хорошо проветриваемом помещении.
Раствор можно использовать многократно в течение нескольких лет. Существуют способы регенерации отработавшего раствора.
Протравленную плату тщательно отмывают от следов хлорного железа под струёй горячей воды, одновременно очищая каким-либо скребком от рисунка, сделанного нитрокраской.
Промытую плату просушивают, рассверливают и при необходимости раззенковывают отверстия, в том числе и не имеющие контактной площадки, зачищают мелкозернистой наждачной бумагой, протирают салфеткой, смоченной спиртом или ацетоном, а затем покрывают канифольным лаком (раствор канифоли в спирте).
Некоторые радиолюбители рекомендуют лудить все проводники платы. По мнению автора, такие платы выглядят весьма кустарно, кроме того, при лужении возможно замыкание соседних проводников перемычками из припоя.
Перед монтажом радиоэлементов на плату потемневшие выводы следует зачищать до блеска, лудить их не обязательно. В качестве флюса лучше пользоваться канифольным лаком, а не твердой канифолью. Микросхемы следует подпаивать за кончики выводов, вставляя их в монтажные отверстия не до упора, а лишь до выхода выводов со стороны пайки на 0,5...0,8 мм, - это облегчит их демонтаж в случае ремонта и уменьшит вероятность замыканий в двусторонних платах. Под радиоэлементы в металлических корпусах при монтаже на двустороннюю плату следует подложить бумажные прокладки и приклеить их к плате тем же канифольным лаком.
При монтаже полевых транзисторов с изолированным затвором и микросхем структуры МОП и КМОП для исключения случайного пробоя их статическим электричеством нужно уравнять потенциалы монтируемой платы, паяльника и тела монтажника. Для этого на ручку паяльника достаточно намотать бандаж из нескольких витков неизолированного провода (или укрепить металлическое кольцо) и соединить его через резистор сопротивлением 100...200 кОм с металлическими частями паяльника. Конечно, обмотка паяльника не должна иметь контакта с его жалом. Во время монтажа следует касаться свободной рукой проводников питания на монтируемой плате. Если микросхема хранится в металлической коробке или ее выводы защищены фольгой, прежде чем взять микросхему, нужно дотронуться до коробки или фольги и "снять" статическое электричество.
Смонтированную плату желательно отмыть спиртом, пользуясь небольшой жесткой кистью, а затем покрыть канифольным лаком -такое покрытие, как ни странно, весьма влагостойко и сохранит "паяемость" платы долгие годы, что удобно при ремонте и доработке устройства.
В заключение остается напомнить, что в журнале "Радио", 1996 г., 5, с. 59, 60 приведен указатель статей по радиолюбительской технологии и, в частности, по разработке и изготовлению печатных плат, различных приспособлений для монтажа, облегчающих труд радиолюбителя.
Рис. 135 Типичные варианты расположения контактных площадок и отверстий на печатных платах
Рис. 136 Контактные площадки для микросхем в планарных корпусах
Рис. 138 Патроны-втулки для миниатюрной электродрели
2. Поиск замыканий в печатных платах.
ПОИСК ЗАМЫКАНИЙ В ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ
Нередко после завершения монтажа печатной платы обнаруживается замыкание между проводниками, которое трудно найти из-за разветвленности проводников. В разделе описывается эффективный способ поиска замыканий в платах, не требующий специального оборудования и пригодный для работы как с чистыми, так и со смонтированными платами.
Рассмотрим предлагаемый способ на примере поиска замыкания между проводниками питания и общего провода в сложном устройстве, содержащем много микросхем. Этот случай весьма распространен, поскольку указанные проводники распределены по всей плате и подходят к каждой микросхеме.
Фрагмент варианта расположения проводников на условной плате приведен на рис. 139. К ним в соответствии с полярностью при нормальной работе устройства (это важно лишь в случае смонтированной платы) следует подключить источник питания G1 с напряжением, на превышающим номинальное, через резистор R1. Этот резистор установлен для ограничения тока через проводники на
уровне 2...3 А и его мощность должна быть соответствующей величины.
Далее к одному из проводников платы (например, к общему проводу) следует подключить первый вывод милливольтметра РА1 с чувствительностью 100...200 мВ на всю шкалу. Второй вывод должен быть снабжен острой иглой. Подключая поочередно второй вывод милливольтметра к различным точкам другого проводника платы, следует найти такую, после которой перенос щупа в любую другую точку проводника, кроме одной из со-
седних, не приводит к изменению показаний милливольтметра, а переход к одной точке - увеличивает.
Как это выглядит для конкретного случая, показанного на рис. 139? Напряжение в точке 1 максимально, в точке 2 оно меньше. При переходе к точкам 3 или 4 напряжение не изменится, но при установке щупа на точку 5 оно уменьшится, значит, поиск надо продолжить в сторону точки 5. В точке 6 напряжение еще меньше, но в точках 7 и 8 оно такое же как в точке 6, поэтому именно точка 6 отвечает указанным выше требованиям и является в данном случае местом замыкания проводников питания и общего провода.
В качестве милливольтметра удобнее использовать цифровой прибор, поскольку в процессе поиска необходимо запоминать достаточно точно предыдущее показание и сравнивать его с очередным. Можно применить и любой микроамперметр с возможно большей шкалой.
При работе со смонтированными платами следует очень внимательно подходить к выбору напряжения источника питания, его полярности и ограничительного резистора. Если в процессе поиска замыкание исчезнет, поданное напряжение не должно приводить к порче устройства. Достаточно безопасным можно считать вариант подачи напряжения 0,5 В (при таком напряжении р-n переходы полупроводниковых приборов не открываются) с ограничением тока в самом источнике на уровне 1...2 А (многие лабораторные источники питания имеют такую возможность). Если имеющийся источник позволяет регулировать напряжение от нуля, можно подобрать такое напряжение, при котором роль токоограничительного резистора будут выполнять соединительные провода.
Рис. 139 Схема поиска замыканий на плате
3. Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1,К1019ЕМ2.
МИКРОСХЕМЫ-ТЕРМОДАТЧИКИ К1019ЕМ1, К1019ЕМ2
Эти микросхемы представляют собой термодатчики с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры. Они предназначены для работы в устройствах контроля, измерения и регулирования температуры. Микросхемы оформлены в металлостеклянном корпусе КТ-1-9 с гибкими проволочными лужеными выводами (рис. П1.1); масса прибора - не более 1,5г.
Датчик по свойствам подобен стабилитрону с малым дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Принципиальная схема прибора показана на рис. П1.2. Цоколевка: выв. 1 - подключение цепи калибровки; выв. 2 - плюсовой вывод датчика; выв. 3 - минусовый вывод датчика, корпус микросхемы.
Часто для построения датчика температуры используют свойство р-n-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. ТКН р-n-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С.
Недостатком р-п-перехода как датчика температуры является довольно большое дифференциальное сопротивление (25...30 Ом при токе 1 мА). По этой причине для достижения мало-мальски приемлемых характеристик датчика р-n-переход необходимо питать от стабилизатора тока. Кроме того, ни у одного диода не нормированы ни сам ТКН, ни его стабильность,
что серьезно затрудняет их применение в качестве термодатчиков, особенно в промышленной аппаратуре.
Работа термодатчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности значений напряжения на эмиттерном переходе Uбэ двух транзисторов с разной плотностью эмиттерного тока. Эта разность Uбэ при заданном соотношении значений площади эмиттера транзисторов и равном токе через них (это и обеспечивает разную плотность тока) оказывается пропорциональной абсолютной температуре кристалла:
Uбэ=кТкlnM/q. Здесь M=S2/S1 - отношение значений площади эмиттера транзисторов VT1 и VT2 (см. схему на рис. П1.2); k - постоянная Больцмана; Тк - абсолютная температура; q - заряд электрона.
На транзисторах VT1, VT2 собран первый дифференциальный усилитель, а на VT9, VT10 - второй, управляемый сигналами первого. Транзисторы VT3 - VT8 образуют два генератора тока, один питает первый дифференциальный усилитель, а другой - второй. На транзисторах VT11 и VT12 собрано "токовое зеркало", служащее динамической нагрузкой второго дифференциального усилителя.
Выходной сигнал с нагрузки второго усилителя через эмиттерный повторитель (VT14) поступает на базу выходного транзистора VT16. Конденсаторы Cl, C2 и резистор R 10 обеспечивают устойчивость работы
узла.
Условием баланса первого дифференциального усилителя является равенство значений коллекторного тока транзисторов VT1, VT2. Поскольку площади эмиттерного перехода этих транзисторов различаются в 10 раз, для балансирования усилителя на его вход с резистора R3 должно быть подано напряжение Uбэ=kТк1n10/q.
При питании микросхемы током 1...5 мА возникает отрицательная ОС по напряжению с выхода усилителя через делитель R2R3R4 на его вход. Эта связь устанавливает на выводах 2 и 3 микросхемы напряжение, пропорциональное разности падений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VT1 и VT2, с коэффициентом пропорциональности (R2 + R3 + R4)/R3.
Поскольку разность Uбэ пропорциональна абсолютной температуре, ей же пропорционально и напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы. Таким образом ТКН датчика равен 10 мВ/К; он является здесь и коэффициентом пропорциональности между выходным напряжением датчика и абсолютной температурой.
Для обеспечения высокой линейности преобразования и малого выходного сопротивления микросхемы (менее 1 Ом) усилитель имеет высокий коэффициент усиления - более 40 000.
Основные электрические характеристики датчика:
Ток питания,мА........................................................ 1
Выходное напряжение, мВ, при токе питания 1 мА и температуре 298К (25°С) ................................................ 2952...3012
398К (125°С)...............................................3932...4032
263К (-l0'C) для К1019ЕМ1А............................. 2582.. 2682
228К (-45°С) для К1019ЕМ1 .............................. 2232...2332
Предельно допустимый эксплуатационный режим:
Ток питания, мА ............................;.................. 0,5...1,5
Рабочий температурный интервал, °С, для К1019ЕМ1................................................... -45...+ 125
К1019ЕМ1А................................................. -10...+125
На рис. П1.3 и 4 показаны типовые зависимости дифференциального сопротивления микросхем от температуры окружающей среды (при токе питания 1 мА) и тока питания (при температуре окружающей среды 25°С) соответственно. На обоих графиках заштрихованы области технологического разброса для 95 % микросхем. На рис. П1.5 представлена типовая зависимость выходного напряжения (между выв. 2 и 3) от температуры окружающей среды.
Благодаря малому дифференциальному сопротивлению датчика его можно питать от источника напряжения (не менее 10 В) через последовательный резистор, сопротивление которого в килоомах должно быть на 3 кОм меньше значения напряжения Uпит в вольтах.
Но, чтобы в наибольшей степени реализовать возможности микросхемы, ее обычно питают от стабилизатора тока. Типовая схема включения
датчика изображена на рис. П1.6. Генератор тока, собранный на транзисторах VT1, VT2, должен обеспечить ток через микросхему Iпит=1 мА. Ток устанавливают подборкой резистора R3. Отправное значение сопротивления этого рези-
стора (в килоомах) можно рассчитать по формуле: R3=Uпит-l,7 (где Uпит -в вольтах).
С целью повышения точности измерения температуры в микросхеме предусмотрена цепь калибровки. При калибровке датчика подстроенным резистором R4 устанавливают по цифровому вольт-
метру выходное напряжение (в милливольтах) Uвых=10Тк, где Тk -температура в градусах Кельвина. Температуру также необходимо измерять точным термометром.
На рис. П1.7 показана схема термометра, показывающего температуру в градусах Цельсия. Вольтметр PV1 (стрелочный или цифровой) включен в цепь источника образцового напряжения G1. Стрелочный вольтметр для измерения и плюсовой, и минусовой температуры должен иметь шкалу с нулем посредине (в цифровом знак температуры, как правило, устанавливается автоматически). Точность измерения температуры здесь сильно зависит от стабильности образцового напряжения - изменение его на 0,1 % (на 2,7 мВ) вызовет изменение показания на 0,27°С.
Рис. П.1.1 Корпус микросхем К1019ЕМ1, К1019ЕМ1А
Рис. П.1.3 Зависимость дифференциального сопротивления от температуры
Рис. П.1.5 Зависимость выходного напряжения от температуры окружающей среды
Рис. П.1.6 Типовая схема включения датчика
Рис. П.1.7 Схема термометра с микросхемой К1019ЕМ1
Рис. П1.2 Принципиальная схема микросхем К1019ЕМ1, К1019ЕМ1А
4. Электронное устройство -эпоксидный брикет.
ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО - ЭПОКСИДНЫЙ БРИКЕТ
При окончательном оформлении различных конструкций радиолюбители нередко испытывают затруднения в изготовлении корпусов, особенно если изготовляемой конструкции предстоит работать в тяжелых условиях, например, под капотом автомобиля. В тех случаях, когда изготовляемое устройство имеет сравнительно небольшие размеры, можно рекомендовать полную заливку конструкции эпоксидным клеем ЭКФ с наполнителем, в качестве которого проще всего использовать тальк. Готовое изделие в этом случае представляет собой прямоугольный брикет серо-коричневого цвета из эпоксидной смолы с гладкими гранями.
Для заливки плату с деталями помещают в специально изготавливаемую сборно-разборную форму. Наилучший материал для формы - листовое органическое стекло. Оно удобно тем, что практически не имеет адгезии (прилипания) к эпоксидному клею и обеспечивает изготовленной отливке чистые глянцевые поверхности.
На рис. П2.1 показан пример проверенной на практике конструкции формы для заливки небольшого устройства, собранного на печатной плате 1. Детали 2 и 3 формы следует изготовить из листа органического стекла толщиной 6мм, а деталь 4 - 4 мм. Основание 8 может быть дюралюминиевым (толщиной 5...6 мм) или стальным.
Детали 2 и 3 лучше всего отфрезеровать на станке. В этом случае легко обеспечить точность, необходимую для того, чтобы можно было обойтись
одним винтом для скрепления каждого угла формы. Если детали формы изготавливать вручную, практически невозможно вырезать пазы, обеспечивающие жесткость формы при скреплении деталей угла одним винтом. В этом случае придется использовать по два винта на каждый угол. Для одноразовой заливки боковые стенки формы можно склеить.
Чертеж на рис. П2.1 показывает, что плату под заливку следует изготовлять так, чтобы она удовлетворяла двум требованиям.Во-первых, она должна иметь припуски по длине с
обеих сторон; после затвердевания смолы и разборки формы припуски могут быть обрезаны.
Во-вторых, монтаж на плате должен быть "поверхностным", т. е. детали монтируют со стороны печатных дорожек, припаивая выводы прямо к фольге. Никаких отверстий под выводы деталей сверлить не предусматривается.
Таким образом, у готового брикета пять граней - эпоксидные, а шестая представляет собой наружную сторону платы.
Выводы от платы, выполненные гибким проводом в ПВХ изоляции (или лучше - в полиэтиленовой), перед заливкой пропускают через отверстия в
на деталь следует в течение некоторого времени выдержать в ацетоне или растворителе 746 (либо 747).
Светодиодные цифровые индикаторы можно установить вплотную к одной из стенок формы, перед заливкой их лицевую поверхность целесообразно покрыть тонким слоем эпоксидного клея без наполнителя.
В припусковых частях платы сверлят по отверстию диаметром 3...4 мм под винты 7 (рис. П2.1) для сборки формы. Эти отверстия можно потом использовать как крепежные для готового изделия. Пластина - основание 8 -служит для того, чтобы при затяжке гаек 6 не происходило изгибания платы (особенно, если она тонкая).
При отверждении эпоксидная смола дает некоторую усадку, в результате чего на поверхности изделия, как правило, в середине той грани. которая была обращена вверх, могут образоваться небольшие углубления -раковины. Уменьшению усадки способствует введение в смолу наполнителя. Лучшим наполнителем считают порошкообразную окись алюминия. Удовлетворительные результаты дает применение хорошо высушенных порошков гипса, мела и других.
Для того чтобы раковина не появилась на гранях брикета, в центральной части платы, в относительно свободном от деталей месте, сверлят дренажное отверстие диаметром 1,5...2 мм. Оно даст возможность в дальнейшем заполнить образовавшуюся под платой раковину.
Заливку начинают со сборки формы. Винтами 5 (рис. П2.1) соединяют ее боковые стенки. Тщательно обезжиренное и просушенное устройство устанавливают в форму, подложив под него основание 8, и закрепляют винтами 7 с гайками 6. Если есть радиоэлементы, выходящие за лицевую поверхность, проверяют соосность отверстий в лицевой пластине формы.
В отверстия, через которые из формы пропущены выводы, следует ввести с внешней стороны небольшое количество жидкого масла. Дренажное отверстие заглушить отрезком спички.
В чистой посуде приготовляют необходимое количество эпоксидного клея, добавляют в него наполнитель и тщательно перемешивают. Желательно, чтобы при этом в смесь не попало слишком много пузырьков воздуха (эта пена потом может доставить много хлопот). Готовый компаунд должен иметь вязкость очень густой сметаны. Клей ЭКФ с тальком дает после затвердевания непрозрачную заливку приятного серо-коричневого цвета, а из клея ЭДП получается полупрозрачная заливка красно-коричневого цвета. Для заливки годится также эпоксидная шпатлевка без дополнительного наполнителя.
Заливают полость в форме с небольшим избытком, следя за тем, чтобы компаунд заполнил все ее углы. Если сверху оказалось много пены, ее следует осторожно снять и в форму добавить компаунд без пены.
Закрывают форму пластиной 4 и фиксируют ее нитками или резиновыми кольцами. После этого форму переворачивают лицевой поверхностью вниз, вынимают заглушку из дренажного отверстия и прочищают его. Оставляют форму для затвердевания смолы в теплом месте не менее чем на 10 часов. Остатки компаунда необходимо убрать в морозильную камеру холодильника.
После затвердевания смолы форму разбирают, зачищают облой, снимают с выступающих радиоэлементов трубки. Хранившемуся в холодильнике остатку компаунда дают принять комнатную температуру и через дренажное отверстие в плате заполняют образовавшуюся раковину, после чего изделие оставляют еще на несколько часов для отверждения.
Описанным способом было изготовлено несколько десятков экземпляров различных электронных устройств для автомобиля. За 2...3 года эксплуатации ни одно не вышло из строя.
В зависимости от требований к изготовляемому устройству, от желания и возможностей радиолюбителя можно широко варьировать размеры и конструкцию как платы, так и самой заливочной формы. Так, например, плату можно изготовить по традиционной технологии (печать на одной стороне, детали - на другой) и залить ее со всех сторон. Причем заливать можно в два приема - сначала с одной стороны, а затем - с другой, а можно и в один.
Рис. П2.1 Конструкция формы для заливки эпоксидной смолы
Рис. П2.2 Примеры установки элементов
10. Схемотехника электронных приборов и узлов - примеры построения
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УЗЛЫ
В этом разделе даны описания электронных приборов и узлов самого разного назначения. Функции их очевидны.
1. «Ночной сторож» пассажира
«Ночной сторож» пассажира
Забота о сохранности личных вещей и багажа в длительных переездах знакома у нас, наверное, каждому. Описываемое устройство - своего рода специализированная охранная система - может существенно облегчить жизнь пассажира.
На рис. 83 приведена принципиальная схема устройства, формирующего тревожный акустический сигнал при обрыве шлейфного датчика. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран коммутирующий генератор с частотой переключения fп@1/2R4·С2@2...3 Гц, а на DD1.3 и DD1.4 - тональный генератор, возбуждающийся на частоте fт@1/2R6·C3@1 кГц. Пьезоэлемент НА1 - нагрузка тонального генератора, GB1- гальваническая батарея.
Печатная плата устройства показана на рис. 84. Ее изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевой шины (с ней соединен «-» GB1), в местах пропуска проводников она имеет выборки - кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны).
Рис. 83. «Ночной сторож» пассажира
Рис. 84. Печатная плата «сторожа»
Места паек к нульфольге показаны черными квадратами. Квадратом со светлым кружком в центре показаны позиции проволочных перемычек, соединяющих с нуль-фольгой тот или иной фрагмент печатного монтажа.
Перед монтажом пьезоэлемента и конденсатора С4 необходимо выяснить состояние их изоляции: при напряжении Uпит ток утечки в них не должен превышать 0,5 мкА.
Все резисторы «сторожа» - типа МЛТ-0,125; конденсаторы С1 и СЗ - КМ-6, С4 - К50-35. Высота деталей не должна превышать 10 мм.
Смонтированную плату, пьезоэлемент и батарею питания крепят в корпусе 48х32х17 мм, склеенным из ударопрочного полистирола толщиной 1,5 мм. При пайке проводников к пьезоэлементу и батарее (в системах высокой надежности стремятся минимизировать число «сухих» контактов) следует пользоваться низкотемпературным припоем и хорошим флюсом - перегрев здесь нежелателен.
Шлейфный датчик представляет собой сложенный вдвое обмоточный провод ПЭВ-2 или ПЭВ-3 диаметром 0,07...0,1 мм нужной длины с половинкой двухполюсного разъема на конце. Шлейф хранят намотанным на челнок-мотовильце. Разъем и мотовильце могут быть конструктивно объединены, так, например, как показано на рис. 85. Здесь XI - разъем от микрокалькулятора. Ответная его часть может быть смонтирована непосредственно на корпусе «сторожа», но лучше ее вынести на механически прочном двухпроводном шнуре (удобен покрытый пластиком тонкий экранированный провод), что позволит соответственно укоротить сам шлейф.
Собранный без ошибок «сторож» наладки не требует. Нужно лишь убедиться в том, что потребляемый им в, дежурном режиме (т.е. с целым, не оборванным датчиком) ток не превышает нескольких микроампер, а акустический сигнал, возникающий при
Таблица 14
|
Uпит,B |
Iпотр.деж,мкА |
Iпотр.тр,мА |
|
4,5 |
1,5 |
0,3 |
|
5,0 |
1,7 |
0,4 |
|
6,0 |
2,0 |
0.6 |
|
7,0 |
2,4 |
0,9 |
|
8,0 |
2,7 |
1.3 |
|
9,0 |
3,1 |
1,7 |
|
10 |
3,5 |
2,4 |
|
11 |
4,0 |
3,0 |
|
12 |
4,4 |
3,7 |
отключении шлейфа*, имеет достаточную мощность. Для возможного ее увеличения полезно уточнить сопротивление резистора R6: излучение достигает максимума при совпадении частоты тонального генератора с частотой механического резонанса пьезоэлемента. Ток, потребляемый «сторожем» в режиме тревожной сигнализации, - 0,5... 1 мА.
О возможных заменах. В качестве акустического излучателя может быть взят практически любой «звуковой» пьезоэлемент. Но всетаки лучше использовать пъезоэлемент, имеющий акустический резонатор, например, ЗП-22 или ЗП-1. Такие пьезоэлементы, при прочих равных условиях, звучат заметно громче.
Источником питания «сторожа» может служить любая гальваническая батарея напряжением Uпит =4,5... 12 В. Но нужно иметь в виду, что с увеличением напряжения питания увеличивается ток дежурного режима Iпотр.деж и Iпотр.тр - ток, потребляемый «сторожем» в режиме тревожной сигнализации (см. табл. 14). Зато с увеличением Uпит увеличится и громкость тревожного сигнала. Замены могут сказаться, конечно, на габаритах устройства. «Сторож» с шлейфным датчиком, умно прошивающим охраняемое, ставит перед тайным похитителем практически неразрешимую задачу.
*) Поскольку оборванный шлейф обычно не ремонтируют (в дорожных условияхво всяком случае), нужно иметь с собой несколько полностью смонтированных шлейфных датчиков.
Рис. 83. «Ночной сторож» пассажира
Рис. 84. Печатная плата «сторожа»
Рис. 85. Шлейф на мотовильце с разъемом
2. Двухтональная сирена
Двухтональная сирена
В качестве источника мощного звукового сигнала в современных охранных системах используют, как правило, довольно дорогие пьезосирены. Но мощный звуковой излучатель можно построить и из общедоступных элементов.
Принципиальная схема двухтональной сирены приведена на рис. 86. Акустический излучатель ВА1 - низкоомная (Rн=4...8 Ом), достаточно мощная (4...5 Вт) динамическая головка, - включен в диагональ моста, образованного транзисторами VT1... VT4. Два тональных RC-генератора (DD1.2, DD3.2 и DD1.3, DD2.1) и один коммутирующий (DD1.1, DD3.1) формируют сигнал тревожного звучания. При таких номиналах во времязадающих RC-цепочках частоты тональных генераторов будут близки, соответственно, к 1 кГц и 500 Гц, а их смена будет происходить с частотой около 2 Гц.
Другие элементы микросхем DD2 и DD3 входят в блок управления транзисторами. Если на вход «Сигнал» подано напряжение низкого уровня (~0 В), то все транзисторы переходят в закрытое состояние,
Рис. 86. Двухтональная «сирена»
а генераторы выключаются; если высокое (близкое к +Uпит - напряжению питания сирены), то включается коммутирующий генератор и, в зависимости от его фазы, один из тональных. И на выходе элемента DD2.2 возникает меандр той или иной частоты.
В этом режиме транзисторы VT1...VT4 открываются попеременно парами - либо VT1 и VT4, либо VT2 и VT3. Поскольку работают они в ключевом режиме, то амплитуда напряжения на нагрузке ВА1 будет близка к Uпит-2Uкэ нас, где Uкэ нас - напряжение насыщения транзистора (в транзисторах КТ972 и КТ973 Uкэ нас@1В).
Частоты тональных генераторов могут быть, конечно, и другими: изменяя номиналы R5, С2 и R8, СЗ, можно «двигать» их в очень широких пределах. Один из тональных генераторов целесообразно выставить на частоту механического резонанса акустической системы (а при двухпиковом ее резонансе - и оба). Варьируя величины R3 и С1, можно изменить и темп смены тональных посылок.
Ток, потребляемый «сиреной» в режиме молчания, Iпотр.деж <2 мкА. В режиме тревожной сигнализации он зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки: Iпотр.тр =(Uпит -2Uкэ нас)/Rн , где Iпотр.тр - в амперах, Uпит - в вольтах, Rн - омах.
Напряжение питания «сирены» может быть и выше указанного, но не выше допустимого для микросхем (для микросхем серии К561 Uпит max=15 В). В таких случаях транзисторы рекомендуется ставить -на хорошие теплоотводы и использовать динамические головки с Rні8 Ом.
Рис. 87. Выходной каскад «сирены» (вариант)
Если такие или подобяые им транзисторы (образующие мощные комплементарные пары и имеющие коэффициент усиления по току h21э>750) приобрести не удается, то блок транзисторных ключей можно выполнить так, как показано на рис. 87. Транзисторы серий КТ315 (VT1, VT4) и КТ361 (VT5, VT8) могут быть с буквенными индексами Б, Г, Е.
Динамическую головку, источник питания (например, аккумулятор 10НКН-3,5 или герметичный кислотный), электронную часть сирены рекомендуется разместить компактно, чтобы свести к минимуму потери в соединительных проводах (при растянутых коммуникациях их сопротивление может быть сопоставимым с Rн). К тому же помещенная в прочный металлический футляр, укрепленный в труднодоступном месте, такая сирена окажется и «криминальноупорной».
Рис. 86. Двухтональная «сирена»
Рис. 87. Выходной каскад «сирены» (вариант)
3. Пьезосирена из СП-1
Пьезосирена из СП-1
Высокая цена фирменных пьезосирен, особенно имеющих встроенный источник питания, мешает сколько-нибудь широкому их использованию в радиолюбительской практике. Но такую сирену можно сделать самому. А если дополнить ее выключателем специальной конструкции, то она найдет себе и особое применение...
Основой сирены служит пьезоэлемент СП-1 (СП - сирена пьезокерамическая). Звуковое давление, развиваемое им при напряжении
Рис. 88. Пьезосирена на СП-1
возбуждения 40 В, может достигать 110 дб. На рис. 88 приведена принципиальная схема электронного преобразователя, обеспечивающего нужный для СП-1 режим работы.
Здесь VT1, Т 1 и др. - низкочастотный генератор, возбуждающийся на частоте, зависящей от реактивного сопротивления пьезоизлучателя НА1 и индуктивности повышающей обмотки I трансформатора Т1. Амплитуда переменного напряжения на пьезоизлучателе Uампл@UпитN1/N2, где Uпит - напряжение питания сирены, a N1 и N2 - число витков в обмотках I и II.
Акустическое излучение приобретает тревожный характер лишь после специальной модуляции монотонного сигнала. Здесь это делает электронный манипулятор - включенный в цепь питания генератора транзистор VT2. Частота его включении-выключении зависит от постоянной R4C1 генератора, выполненного на микросхеме DD1, и равна F@1/2R4·C1=5...6 Гц.
Трансформатор Т1 - В 4:731.083 - выходной от транзисторного приемника. Или подобный ему с N1/N2=6...7 и выводом от середины первичной обмотки. Микросхема DD1 - К561ЛЕ5 или К561ЛА7 - может быть заменена аналогичной из серий К 176. Транзисторы VT1 и VT2 должны иметь усиление по току не менее 100 и напряжение насыщения Uкэ нас<0,3 В. При замене транзистора КТ3102Е каким-либо другим следует иметь в виду, что напряжение на его коллекторе может достигать 18...20 В. Все резисторы «сирены» - МЛТ 0,125. Конденсаторы: С1 - КМ-6; С2 - оксидный подходящих размеров, его емкость может быть и больше указанной. Диод VD1 - любой кремниевый.
Если собранная без видимых ошибок сирена не зазвучала, причина окажется, скорее всего, в неправильной фазировке обмоток трансформатора. Сирену нужно тут же выключить (потребляемый в этом режиме ток может быть опасен для транзисторов) и, поменяв местами концы одной из обмоток (1-3 или 4-5), включить снова.
Можно поэкспериментировать с резисторами R1 и R2 (с трансформатором другого типа даже нужно). Но так как они являются режимными, лучше это делать под контролем осциллографа.
Мощность излучаемого сиреной акустического сигнала в очень большой мере зависит от размеров и конфигурации ее корпуса, наличия в нем акустических «пазух», от места и способа крепления пьезоизлучателя и др. Но все это обычно выясняют экспериментально - акустические расчеты здесь вряд ли можно рекомендовать.
Таблица 15
|
Uпит,B |
Iпотр, мА |
Uэфф, В |
|
6 |
13,5 |
30 |
|
7 |
15,0 |
32 |
|
8 |
16,0 |
34 |
|
9 |
18,0 |
40 |
Рис. 89. Внешний вид сирены
Заметим лишь, что монотонное излучение с его ярко выраженными интерференционными эффектами имеет свои особенности.
Конструктивно сирена может быть выполнена так, как показано на рис. 89. Ее. габариты - 58х58х38 мм, масса - 95 г (с источником питания - батареей типа «Корунд»). Корпус склеен из ударопрочного полистирола толщиной 2...2,5 мм. Отверстия, расположенные на периферии обоймы СП-1, рекомендуется заклеить. Опыт показывает, что это заметно увеличивает громкость звучания сирены.
В таблице 15 показана зависимость потребляемого сиреной тока Iпотр и напряжения на пьеэоизлучателе Uэфф (эффективное значение) от напряжения источника питания Uпит.
Сирена может работать в самых разных устройствах и установках. Даже в качестве дверного звонка. Но малые размеры и вес позволяют использовать ее в не совсем обычной охранной системе.
Для этого в цепь питания сирены потребуется лишь ввести выключатель, показанный на рис. 90. Здесь: 1 — нормально замкнутая контактная пара от реле; 2 — чека - тонкая пластина электроизолятора (гетинакс, стеклотекстолит и т.п.), размыкающая контактную пару 1; 3 - корпус выключателя; 4 - тяга (струна, тонкий тросик и др.), извлекающая чеку из контактной пары.
Рис. 90. Конструкция выключателя
Пьезосирену с выключателем размещают внутри охраняемого предмета - в чемодане, в кармане шубы и др. Тягу пропускают сквозь подходящее или специально сделанное отверстие и соединяют с багажной полкой, вешалкой и т.п. При перемещении похищаемого чека выходит из контактной пары, включается питание сирены и похититель с «кричащим» в его руках предметом оказывается в центре внимания окружающих.
Рис. 88. Пьезосирена на СП-1
Рис. 89. Внешний вид сирены
Рис. 90. Конструкция выключателя
4. Автомат «вечерний свет»
Автомат «вечерний свет»
Остающиеся темными по вечерам окна в квартире или на даче нередко беспокоят уехавших хозяев как совершенно очевидный для всех (в том числе и непрошеных «гостей») признак их отсутствия. На рис. 91 приведена принципиальная схема несложного электронного автомата, способного самостоятельно включать и выключать освещение в пустующем помещении.
Здесь DD1 и DD2 - микросхемы часового генератора, a DD3 - счетчик часов, работающий в суточном цикле. Особое время в этом цикле - назовем его экспозицией - формирует дешифратор, составленный из элементов VD1, VD2, DD4.3 и DD4.4.
Силовая часть автомата - диодный мост VD6-VD9, тиристор VS1 и управляющие его включением транзисторы VT2 и VT3 - стала уже классической и подробного описания не требует.
На стабилитроне VD5 формируется напряжение питания как транзисторов автомата (здесь оно пульсирующее), так и его микросхем.
Связь часов с силовой частью автомата осуществляется через транзистор VT1: если он открыт, то тиристор остается запертым в любой фазе сетевого напряжения; если заперт, то тиристор открывается в начале каждого полупериода с минимально возможной здесь отсечкой-задержкой.
Суточный цикл в счетчике DD3 организован с помощью элементов DD4.1 и DD4.2: при появлении напряжения высокого уровня на выходах «8» и «16» счетчика DD3 (позиция, соответствующая 24 часам) на выходе DD4.2 формируется импульс,-возвращающий этот счетчик в исходное состояние. Длительность этого импульса (~2 мкс) зависит от емкости конденсатора С4.
В исходное, нулевое состояние все счетчики автомата переводят нажатием кнопки «ПУСК». Длительность импульса общего сброса - всех счетчиков автомата - зависит от постоянной R4C5 и составляет примерно 0,5 мс. Постоянная R3C3 такова, что значительно более короткие «суточные» импульсы с выхода DD4.2 на R-входы микросхем DD1 и DD2 не проходят.
Рис. 91. Автомат «Вечерний свет»
Гальваническая батарея GB1 - типа 4РЦ-53. Она нужна лишь для сохранения заданной ритмики автомата при длительном отсутствии напряжения в сети.
Все элементы автомата, за исключением тиристора, монтируют на общей печатной плате. Тиристор устанавливают на теплоотвод - 3-миллиметровую дюралюминиевую пластину площадью 20...25 см^2.
Особое внимание следует уделить размещению резистора R13 - самого высокотемпературного элемента автомата. Он, как и теплоотвод тиристора, должен находиться в возможно более активном воздушном потоке. Лучше - на его выходе, с тем, чтобы уменьшить подогрев других элементов.
Гальваническую батарею, во избежание последствий ее разгерметизации, устанавливают в специальном отсеке в нижней части автомата. Хотя опыт показывает, что в хороших электрических сетях надобности в буферном питании практически не возникает. К кратковременным исчезновениям напряжения в сети автомат вообще нечувствителен: медленный разряд конденсатора С6 обеспечивает нормальную его работу в течении 10...20 с.
Поскольку автомат имеет непосредственный контакт с электрической сетью, его монтируют в корпусе, не допускающем прикосновения к токоведущим частям автомата. Например, в коробке из-под слайдов (габариты 94х54х30 мм), изготовленной из ударопрочного полистирола. На корпусе не должно быть, конечно, доступных для прикосновения металлических деталей - головок крепежных винтов и др.
Автомат не требует наладки - правильно собранный, он начинает работать сразу. Рекомендуется лишь проконтролировать напряжение питания микросхем в режиме работы автомата под нагрузкой: оно должно быть выше напряжения буферной батареи (с тем, чтобы и в этом режиме ее энергия не расходовалась). Если оно окажется меньше 5 В, нужно несколько увеличить сопротивление резистора R9.
Поскольку все элементы работающего автомата находятся под сетевым напряжением, подготовку любого эксперимента - от пайки до подключения вольтметра - следует вести, лишь предварительно отключив автомат от сети (оба провода). Пользоваться осциллографом не рекомендуется.
Автомат предельно прост в обращении. Его включают последовательно с нагрузкой - настольной лампой или люстрой (общая мощность - не более 200 Вт) и примерно за четыре часа до наступления
сумерек нажимают кнопку «ПУСК». Это все. Через четыре часа (точнее - 3 часа 59 минут) автомат включит свет, а еще через четыре - выключит его. Через сутки, в те же часы, он все это повторит. И так - каждый день*.
Такого рода автоматы могут иметь и иное применение. Нетрудно указать ряд ежедневных рутинных работ, в которых участие человека невозможно, нежелательно или обременительно. Это может быть ночной подогрев теплицы, предутренний - воды в доме без горячего водоснабжения, регулярная вентиляция хранилища, вечерний полив огорода (электронасос), кормление животных, птицы, рыбы (электромеханический дозатор) и многое другое. Не говоря уж об использовании подобных устройств в тех или иных областях профессиональной деятельности человека. В тех же лабораторных исследованиях, где однообразные, регулярно повторяющиеся процедуры занимают нередко большую часть времени.
Описанный автомат имеет четырехчасовую задержку первого включения и четырехчасовую ежесуточную экспозицию. Такой порядок задает закоммутированный в нем дешифратор (на рис. 91 он выделен штриховой линией). С другим дешифратором (рис. 92, а) это соотношение было бы иным: задержка первого включения - 9 ч, ежесуточная экспозиция - 1 ч. А автомат с дешифратором, изображенным на рис. 92, б, активизировался бы два раза в сутки: с 7 до 8
Рис. 92. Дешифраторы автомата
и с 23 до 24 часов (0 - время старта). Могут быть, конечно, закоммутированы и другие последовательности активных и пассивных часов работы автомат? (их общее число 2^24=16 777 216), выбор здесь ограничен лишь приемлемой сложностью дешифратора.
*) Если вход С (выв. 1) счетчика DD3 переключить с выхода М (выв. 10) счетчика DD2 на выход М счетчика DD1, это ускорит работу автомата в 60 раз, «сожмет» его сутки в 24 минуты. Этот проверочный режим может быть удобен, в частности, в экспериментах с дешифраторами.
Рис. 91. Автомат «Вечерний свет»
Рис. 92. Дешифраторы автомата
5. Боятся ли комары ультразвука?
Боятся ли комары ультразвука?
И не только комары. От многих окружающих нас насекомых и более крупных тварей нам хотелось бы держаться подальше. Но так как это не всегда в нашей власти, то человек ищет способы хотя бы удерживать эту напасть на некотором от себя расстоянии. В последнее время большие надежды стали возлагать на разного рода ультразвуковые «пищалки», в том числе и на made in.... Ниже описано такого рода устройство. А в какой мере оно окажется эффективным, каждый, сделавший его, сможет выяснить и оценить сам.
Принципиальная схема ультразвуковой «пищалки», способной работать в широком спектре частот, показана на рис. 93. Здесь ВА1 - мощная высокочастотная динамическая головка, например, 6ГДВ-4, - источник акустических колебаний. Хотя по паспорту высшая частота излучения высокочастотных динамических головок может быть отнесена лишь к «ближнему» ультразвуку, опыт показывает, что они являются вполне эффективными излучателями частот до 40...50 кГц и выше.
Задающий генератор устройства собран на инверторах DD1.1 и DD1.2. Остальные элементы этой микросхемы формируют базовые токи в транзисторах VT1...VT4, попеременно, с частотой
Рис. 93. Ультразвуковое «пугало»
F@1/2(R2+R3)C1,.подключая излучатель ВА1 к источнику питания. В одном полупериоде - через открытые транзисторы VT1 и VT4, в другом - через VT2 и VT3.
Транзисторы генератора работают в ключевом режиме и в теплоотводах особенно не нуждаются. Хотя в тяжелых температурных условиях они могут потребоваться. Диод VD1 - любой германиевый.
Нужную частоту излучения (какую именно - предстоит выяснить в «живом» эксперименте) устанавливают резистором R3, Его можно снабдить заранее проградуироваиной по осциллографу шкалой. При указанных номиналах R2, R3 и С1 генератор перекрывает диапазон 16...60кГц.
Источник питания ультразвукового генератора должен быть способен отдать ток Iпотр=(Uпит-2)/Rн(Iпотр - в амперах, Uпит- напряжение питания «пищалки» - в вольтах, Rн - в омах).
Конечно, для тварей разных видов нетерпимые или пугающие их частоты могут быть и будут, скорее всего, разными. Но создание многочастотного «пугала» •- с «плавающими» или «прыгающими» частотами, с той или иной их модуляцией-манипуляцией - не проблема. Главное - в прямом эксперименте установить те параметры ультразвука, при которых достигается существенный эффект.
В связи с этим заметим, что в ультразвуковых «пугалах», появившихся на наших рынках, почти всегда используется пьезоизлучатель - элемент с ярко выраженными резонансными свойствами. Так что заграничный аппарат, пугающий (если верить рекламе) на своей частоте какую-то разновидность, скажем, тайваньского комара, на наших* может не произвести никакого впечатления. И, похоже, не производит...
*) Энтомологи насчитывают не менее 500 видов комаров. Вот лишь некоторые из «наших»: пискун, обыкновенный малярийный, лесной малярийный, дергун, мохнатоусый дергун (хорошо известный рыболовам и своей личинкой - мотылем), желтолихорадочный и др.
Еще больше разновидностей у мошки - переносчицы сибирской язвы, сапа, тулерямии, чумы, проказы и т.п.
Рис. 93. Ультразвуковое «пугало»
6. О «дребезге» и «шорохе» контактных датчиков
О «дребезге» и «шорохе» контактных датчиков
Разного рода выключатели, переключатели и т.п., не вызывающие никаких особых нареканий в обычной электротехнике, для
Рис. 94. «Дребезг» в контактном датчике (КД)
подобных же операций в электронике оказались практически непригодными.
Во всяком случае - в прежнем их виде. Причина - в «дребезге» и «шорохе» контактных пар, в немонотонном изменении их контактного сопротивления при переключениях и в соединениях. Так, например, замыкание кнопки SF в схеме, показанной на рис. 94, а, почти наверняка приведет к тому, что в быстродействующий счетчик DD будет записана не одна единица, как полагалось бы, а столько, сколько спадов (переходов 1 ) окажется в «дребезговой» пачке импульсов (рис. 94, б). Такая неопределенность в электронных устройствах, как правило, недопустима.
Устранить возможные неприятные последствия этого эффекта в рассмотренном выше случае позволит электронный формирователь, схема которого приведена на рис. 95. Он представляет собой одновибратор, переходящий в новое состояние при появлении первого же спада напряжения в «дребезговой» пачке импульсов. Длительность его пребывания в этом состоянии - tф@R3·C2 - должна быть больше tдр max - самого продолжительного «дребезга».
На рис. 96 приведена схема еще одного формирователя. В его основе триггер. В исходное, стартовое состояние устанавливают принудительно, подавая на его вход R импульс отрицательной полярности. После срабатывания датчика триггерный формирователь сам не восстанавливается.
Такие формирователи рассчитаны на работу с нормально разомкнутыми контактными датчиками (КД).
Схемы возможных вариантов формирователей - одновибраторного и триггерного - для совместной работы с нормально замкнутыми КД показаны на рис. 97 и рис. 98.
Рис. 95. Одновибраторный формирователь для нормально разомкнутого КД
Рис. 96. Триггерный формирователь для нормально разомкнутого КД
Рис. 97. Одновибраторный формирователь для нормально замкнутого КД
Рис. 98. Триггерный формирователь для нормально замкнутого КД
Рис. 99. Устранение высокочастотных и импульсных наводок
Устраняя последствие «дребезга» КД, формирователи выполняют еще одну важную функцию. Как известно, длительность «счетного» фронта на входе С счетчика ограничена сверху - для микросхем серии К176, например, она не должна превышать 10...15 мкс. Формирователи аа счет усиления в каждом логическом элементе и положительной обратной связи имеют фронты выходных сигналов, зависящие от физического их быстродействия, и не превышают, как правило,1 мкс.
Резистор R1 и конденсатор С1 во входных цепях формирователей образуют помехозащитную цепочку, которая ослабляет возможные импульсные и высокочастотные помехи до пренебрежимо малого уровня. В КМОП-микросхемах обычно принимают: R2<0,1Rиз, где Rиз - сопротивление изоляции в КД; R1=(0,01...0,1)R2; R2·C1=0,01...0,1 с; R3·C2=0,2...1 с.
В условиях значительных помех такая защита может быть многозвенной, такой, например, как на рис. 99.
Сложнее обстоит дело с «шорохом», с «шуршанием» нормально замкнутых КД (рис. 100, а, б). Прежде всего потому, что этот эффект,
Рис. 100. «Шорох» контактного датчика
в отличие от «дребезга», не имеет временной связи с моментом переключения КД. Спонтанное, происходящее без видимых причин изменение контактного сопротивления Rконт может возникнуть в любой момент.
Изменение контактного сопротивления особенно часто проявляется в КД, подвергающихся переменному механическому давлению, пусть и вполне достаточному, казалось бы, для обеспечения надежного электрического соединения. Это связано, прежде всего, с микроперемещениями контактирующей площадки, почти точки, с выходом ее на загрязненные или окислившиеся участки контактной поверхности. Особенно ощутимы флуктуации Rконт при слабом контактном давлении, не способном продавить возникший резистивный слой.
Причина может быть и химической - растущий слой окиси изолятора способен со временем раздвинуть электроды КД и даже образовать в его зазоре электролитическую пару. Особенно непригоден для КД алюминий: его окись не только очень хороший изолятор, но она обладает высокой механической прочностью даже в тонких слоях.
Правда, с относительно малым увеличением контактного сопротивления, даже длительным, справляется та же система помехозащиты. Важно лишь, чтобы сопротивление Rконт оставалось малым по сравнению с сопротивлением резистора R1. Кратковременное изменение Rконт, даже значительное, также подавляется помехозащитной цепочкой, но при условии, что постоянная времени R2C1 окажется больше длительности «всплеска» Rконт.
Использование в КД неокисляющихся материалов, например, золота, палладия, или окисляющихся, но окисный слой которых остается в достаточной мере электропроводным, также ведет к уменьшению «шороха», к снижению вероятности того, что какая-то из флуктуаций Rконт будет принята за выключение КД.
Действенным средством борьбы с «шорохом» нормально замкнутых контактных датчиков является их дублирование-параллельное включение нескольких КД: вероятность одновременного появления «всплесков» Rконт в этом случае резко уменьшается.
Рис. 100. «Шорох» контактного датчика
Рис. 94. «Дребезг» в контактном датчике (КД)
Рис. 95. Одновибраторный формирователь для нормально разомкнутого КД
Рис. 96. Триггерный формирователь для нормально разомкнутого КД
Рис. 97. Одновибраторный формирователь для нормально замкнутого КД
Рис. 98. Триггерный формирователь для нормально замкнутого КД
Рис. 99. Устранение высокочастотных и импульсных наводок
7. Триггер из логических элементов
Триггер из логических элементов
Триггер - простейший автомат* с двумя устойчивыми состояниями - один из основных элементов цифровой техники. В серии микросхем ТТЛ, ТТЛШ, КМОП и другие обязательно входят те или иные его разновидности. Но если в арсенале радиолюбителя таких микросхем нет, триггер можно составить из других элементов. Покажем, как можно построить одну из его разновидностей - так называемый RS -триггер - из элементов, реализующих логические функции.
На рис. 101, а изображен RS -триггер, составленный из логических элементов ИЛИ-НЕ. Легко видеть, что в режиме хранения информации - при напряжениях низкого уровня (лог. 0) на входах S и R - он может находиться, в одном из двух состояний: иметь высокий уровень (лог. 1) на выходе элемента DD1.1 и низкий на выходе DD1.2 или, наоборот, низкий на DD1.1 и высокий на DD1.2.
Устанавливают триггер в то или иное состояние обычным образом: подавая на вход S или R напряжение высокого уровня. Это может быть и очень короткий, на пределе физического быстродействия микросхемы, импульс напряжения «единичной» амплитуды. Функции входов-выходов этого триггера, в «триггерном» его изображении, показаны на рис.101, б.
RS-триггер можно составить и из элементов «И-НЕ» (рис. 102, а, б). Здесь режиму хранения информации соответствует напряжение высокого уровня на входах S и R. Напряжение низкого уровня, поданное на вход S, переведет триггер в состояние 1. Оно же, но поданное на вход R, установит триггер в состояние 0.
Рис. 101. Триггер из «ИЛИ-НЕ»
Рис. 102. Триггер из «И-НЕ»
Рис. 103. Триггер из «И» и «ИЛИ»
Оба эти триггера составлены из так называемых шефферовых элементов, каждый из которых сам по себе обладает функциональной полнотой**. Но RS-триггер можно построить и из элементов, не составляющих функционально полной системы.
Такой триггер показан на рис. 103, а, б. Режиму хранения здесь соответствует напряжение низкого уровня на входе S и высокого - на входе R. Триггер устанавливают в состояние 0 подачей на вход R напряжения низкого уровня. Напряжение высокого уровня, поданное на вход S, переведет триггер в состояние 1. Триггеры такой конфигурации замечательны тем, что имеют минимальную сложность в базисе И, ИЛИ, НЕ***.
В практическом синтезе может возникнуть необходимость управлять триггером по нескольким, никак не связанным друг с другом S- или R-входам. Такой триггер показан на рис. 104, а, б. Это, очевидно, разновидность триггера, изображенного на рис. 101. Появление «единичного» напряжения на любом из S-входов переводит триггер в состояние 1. Оно же, но приложенное к любому из R-входов, вернет его в состояние 0.
Функционально ту же многоканальность управления триггером можно было бы получить, включив на S- и R-входы триггера по многовходовому дизъюнктору. Но этот вариант бьы бы, очевидно, более громоздким.
Рис. 104. Триггере многоканальным управлением
Как известно, в триггере комбинацию входных сигналов, инверсную по отношению к режиму хранения, принято запрещать. Для триггера, изображенного на рис. 101, это {S=1, R=1}. Инверсный набор входных сигналов запрещают потому, что при возвращении триггера в режим хранения - при смене {S=1, R=1} на {S=0, R=0} - он может непредсказуемо оказаться как в нулевом, так и в единичном состоянии. Это зависит от того, на каком из входов - S- или R - сигнал 1 задержится чуть дольше. Но если такой неопределенности нет и смещение спадов S- и R-сигналов известно и даже специально организовано, то накладывать безусловный запрет на SR-комбинацию, инверсную по отношению к режиму хранения, нет необходимости.
Заметим в заключение, что триггеры, составленные из логических элементов, не только'позволяют обойтись без специальных, «триггерных» микросхем, но могут существенно упростить трассировку монтажа, так как «синтетический» триггер можно собрать из ближайших по месту на печатной плате свободных логических элементов.
*) К автоматам относят устройства, имеющие собственную память.
**) Функционально полными называют наборы логических элементов, пользуясь которыми можно реализовать любую двоичную функцию. Функционально полный набор может состоять и из одного элемента. Функция, реализуемая таким элементом, называется шефферовой. К универсальным, шефферовым относятся логические элементы, реализующие функции ИЛИ-НЕ и И-НЕ (...ЛЕ... и ...ЛА... в микросхемных сериях).
***) Принятое в работах по синтезу схем выражение «в базисе...» означает, что при создании того или иного устройства разработчик имеет право пользоваться лишь элементами, указанными в базисном наборе. Достижение требуемого результата возможно меньшим числом базисных элементов - одна из основных задач конструктора. Построение схемы, реализующей заданную функцию минимально возможным числом базисных элементов, относится к числу труднейших задач математической логики.
Рис. 101. Триггер из «ИЛИ-НЕ»
Рис. 102. Триггер из «И-НЕ»
Рис. 103. Триггер из «И» и «ИЛИ»
Рис. 104. Триггере многоканальным управлением
8. Электронная удочка-автомат
Электронная удочка-автомат
Даже самые робкие попытки переложить на электронную технику какие-то функции, которые человек привык считать «своими», а себя, соответственно, незаменимым, вызывают к себе настороженное отношение. Не в последнюю очередь это относится к любительскому рыболовству - одному из самых консервативных по своим формам увлечений человека.
Хотя трудно представить себе более интересное занятие для радиолюбителя-конструктора. Начиная от самой постановки возникающих здесь задач, от «алгоритмизации интуиции», до испытания придуманного. И не в виртуальном пространстве, куда нас последнее время так настоятельно зовут, а в самом что ни на есть настоящем: под голубым небом, среди лесов и лугов, с плеском воды и рыбой без штрих-кода.
Рис. 105. Кинематическая схема удочки-автомата
Кинематическая схема устройства, предназначенного для автоматической подсечки рыбы в сложных условиях лова, показана на рис.105. Здесь: 1 - корпус, в котором размещена вся электронно-механическая «начинка» автомата; 2 - плоская пружина, главный движитель автомата; б - подпружиненное коромысло с зажимом 7 лески 11, образующее со скобой 4, укрепленной на изолирующей пластине 3, контактную пару; 8 - тяга с серьгой зацепа 9; 10 - вал редуктора с резьбой МЗ на конце; 12 - струбцина крепления автомата на борту или кормовом транце лодки.
Во взведенном .состоянии автомат удерживается сцепкой вала 10 редуктора с серьгой 9. Включенный двигатель способен мгновенно, за несколько оборотов ротора, разъединить эту сцепку. А вот в какой момент это произойдет - решит электроника автомата.
Алгоритм его работы прост. Первый же электрический сигнал датчика, возникающий в момент касания коромыслом 6 скобы 4, переводит автомат в активное состояние: начинается отсчет времени и счет этих пока еще неясных по происхождению касаний. Если их общее число - и помех, и поклевок - в этом активном состоянии автомата (его продолжительность задается) не достигает некоторого числа N (также задаваемого), то автомат вновь принимает исходное состояние - состояние ожидания. Если же это число достигнуто, то включается электромотор и - подсечка.
Этот алгоритм и реализуется электронной «начинкой» автомата, принципиальная схема которой приведена на рис. 106.
Здесь: SF1 - контактная пара «коромысло-скоба» - датчик системы; SF2 - контактная пара «вал редуктора-серьга» (редуктор и электродвигатель ставятся на основание-изолятор); SA1 - тумблер, контакты SA1.2 которого, размыкаясь, обесточивают силовую часть автомата при его настройке, смене наживки и т.п.; SA2 - переключатель,
Рис. 106. Принципиальная схема автомата
которым задают число «поклевок» - N О{l,2,3,4}; SA3 - переключатель длительности интервалов активного времени (в секундах) - Т О{2, 4, 8}.
Элементы DD1.1, DD1.2, С2, R4 составляют одновибратор, устраняющий ложный счет в DD3 - в счетчике «поклевок» - от «дребезга» контактов датчика SF1. На элементах DD2.2, DD2.3 собран генератор тактовых импульсов, следующих с частотой 1 Гц. Счетчиком DD4, суммирующим эти импульсы, задается время активного состояния автомата. Сброс счетчиков, возврат автомата в исходное состояние - состояние ожидания - осуществляется импульсами «единичной» амплитуды, формируемыми элементами DD2.1 и DD1.3. Это происходит либо по окончании активного времени (при появлении напряжения высокого уровня на движке переключателя SA3), либо в начале подсечки (при разрыве контактов SF2), либо при ручном выключении автомата тумблером SA1 - замыкании контактной пары SA1.1.
На элементах DD2.4, DD1.4 и транзисторах VT3, VT4 собран управляемый (по входу 2 элемента DD2.4) тональный генератор, который, возбуждая динамическую головку НА1, сигнализирует рыболову о переходе автомата в активное состояние.
Транзисторы VT1 и VT2 - электронный ключ управления электродвигателем M1. Дроссель L1 в LC-фильтре наматывают на кольцевом магнитопроводе (внешний диаметр - 10...12 мм) из феррита с m=1000...2000. Его обмотка содержит 50...100 витков провода ПЭВ-2 0.2...0.3.
Плоскую силовую пружину (2 на рис.105) - основной движитель автомата - изготавливают из полосы фосфористой бронзы толщиной 0,8 мм. Ее ширина - 78 и длина (без заделанных концов) - 220 мм. Создаваемое пружиной начальное усилие при подсечке - 1,3 кг, «мах» - до 750 мм.
Узел 7 - обычная клемма с отверстием для пропуска лески.
Размеры контактной скобы не критичны, важно лишь, чтобы между ее контактными площадками и концом перемещающегося между ними коромысла можно было выставить нужные зазоры: минимум - 1, максимум - 10 мм. Положение коромысла по отношению к контактам скобы можно изменять натяжением или ослаблением пружин в узлах 5. Общая механическая прочность всех этих элементов должна быть достаточно высокой, так как они «держат» рыбу. Во всяком случае 10...15-килограммовые рывки и удары они обязаны переносить без последствий. Винт-ось, на котором качается коромысло, должен оказывать ему минимальное сопротивление.
Спусковое устройство автомата и размещение его деталей в корпусе, склеенном из достаточно толстого (8... 10 .мм) листового органического стекла или ударопрочного полистирола в виде коробки с накладной крышкой, показано на рис. 107, а. Электродвигатель 1 - любой малогабаритный маломощный, например, от электрофицированной игрущки, имеющий на оси малую шестерню 7 диаметром 5...6 и длиной не менее 5 мм (по ней, вывинчиваясь из серьги, должна свободно перемещаться большая шестерня 4).
До установки электродвигателя необходимо проверить качество изоляции его роторной обмотки - сопротивление утечки должно быть не менее 1 МОм.
Подходящая большая шестерня редуктора, обеспечивающая четырех-пятикратное замедление, может найтись в той же игрушке.
Другие детали спускового устройства: 6 - вал редуктора (сталь); 2-его внутренняя опора (она крепится на «дне» корпуса); 3- мягкая плоская пружина на валу, выталкивающая его наружу; 5 - бронзовый или латунный подшипник, запрессованный в стенку корпуса.
Серьгу сцепа вала редуктора с тягой пружины можно выполнить по варианту, показанному на рис. 107, б. В этом случае в крышке корпуса должно быть сделано отверстие диаметром около 25 мм (его место на рис.105 отмечено стрелкой А), через которое, вращая большую шестерню редуктора пальцем, ввинчивают конец его вала в серьгу. Это сцепка очень высокой надежности, она не подвержена практически никаким посторонним воздействиям. По другому варианту (рис. 107, в) серьгу, резьба в которой сохранена лишь в нижней
Рис. 107. Элементы конструкции
части ее эллиптического отверстия, просто набрасывают на выступающий из корпуса конец вала редуктора.
Подсечка начинается с появления «1» - напряжения, близкого к напряжению питания — на движке переключателя SA2. Это напряжение блокирует счетный вход счетчика DD3 (по СР; сигналы с датчика SF1 уже не смогут изменить его состояние) и открывая электронный ключ, выполненный на транзисторах VT1, VT2, включает электродвигатель M1. За 8...10 оборотов его ротора узел «вал редуктора-серьга тяги» выводится из зацепления и силовая пружина, резко распрямляясь, производит подсечку. Но уже в момент разъединения этого узла (контактной пары SF2) на входе 12 элемента DD2.1 возникает «единичное» напряжение, что ведет к появлению «1» и на входе R счетчика DD3. В результате счетчик возвращается в свое исходное, «нулевое» состояние, на движке переключателя SA2 восстанавливается «0» (напряжение, близкое к потенциалу нулевой шины), транзисторы VT1, VT2 закрываются и электродвигатель, сделав лишь нужные обороты, отключается.
Перезарядку автомата производят при выключенном тумблере SA1: его закороченная в этом положении контактная пара SA1.1 «держит» электронику автомата в предстартовом состоянии.
Запаздывание автомата, т.е. время между появлением сигнала 1 на движке переключателя SA2 и собственно подсечкой, зависит от быстроходности и мощности электродвигателя (он может быть сильно форсирован), замедления редуктора, числа ниток вала, введенных в серьгу, смазки вращающихся частей и, конечно, состояния источника питания. В изготовленном экземпляре оно не превышало 0,2 с.
Чувствительность датчика SF1 - 10 г/мм (усилие - на леске, перемещение — у контактной скобы). Она зависит от мягкости пружин коромысла.
Источником питания автомата, оснащенного 4-вольтным электродвигателем (от неустановленной игрушки), может быть батарея из четырех гальванических элементов или аккумуляторов, способных при кратковременной разрядке (несколько десятых долей секунды) отдать ток 0,5...1 А. Для форсажа электродвигателя напряжение питания может быть и более высоким. Но, конечно, не выше максимально допустимого для микросхем автомата.
Описанный электронный автомат длительное время испытывался на морской экспериментальной станции Института биологии моря Дальневосточного отделения РАН (акватория островов Попова, Рейнике, Рикорда и др.). Лов велся по-преимуществу донной рыбы
Рис. 108. Оснастка автомата
на глубинах до 20...25 метров. И хотя особенности морского лова - качка, смещение лодки под ветром, неровности дна, иные помехи - ставили перед автоматом достаточно трудные задачи, он практически ни в чем не уступал и опытным рыболовам. А нередко демонстрировал свое превосходство... Автомат к тому же отличался аккуратной, практически никогда не повреждающей жизненно важные ткани подсечкой. Это оказалось приятной неожиданностью, так как рыба ловилась и для пересадки в аквариум.
На рис. 108 показана обычная оснастка автомата, близкая к принятой в Приморье: основная леска 0,7... 1 мм, поводки - 0,5...0,6 мм длиной 3...5 см, крючки одинарные №№10...12. Но грузило иное: стальной стержень диаметром 6...8 и длиной 250 мм и более. Такое грузило и такое его положение у дна позволяют сохранить натяжение лески почти неизменным и при заметном волнении. Но это - в дополнение к электронным «размышлениям» самого автомата. Ловля же рыбы «в полводы» вообще не представляла для него Проблемы. О реальной чувствительности автомата можно было судить по минимальному весу пойманных экземпляров - 50:..100 г. Максимальный же вес рыбы ограничивался лишь прочностью поводков.
Рис. 105. Кинематическая схема удочки-автомата
Рис. 106. Принципиальная схема автомата
Рис. 107. Элементы конструкции
Рис. 108. Оснастка автомата
9. Преобразователь для питания люминесцентных индикаторов
Преобразователь для питания люминесцентных индикаторов
Сегменты люминесцентных индикаторов (ИВ-3, ИВ-6 и др.) можно подключать к информационным выходам счетчиков К176ИЕ4 и К176ИЕЗ и непосредственно - при 9-вольтном питании микросхем яркость свечения индикаторов оказывается вполне достаточной. Однако для питания их накальных цепей требуется другой источник - напряжением 0,8... 1 В,способный отдать ток 40...50 мА на индикатор.
На рис. 109 приведена принципиальная схема преобразователя, позволяющего использовать для питания нитей накала люминесцентных индикаторов источник питания микросхем.
Рис. 109. Преобразователь для питания нитей накала люминесцентных индикаторов
Преобразователь представляет собой симметричный мультивибратор с трансформаторной нагрузкой. Магнитопровод трансформатора составляют из двух кольцевых сердечников М3000МН 16х10х4,5 мм. Обмотку I наматывают в два провода, она содержит 2х180 витков провода ПЭВ-2 0,12. Среднюю точку обмотки I образуют соединенные вместе конец одной ее половины и начало другой. Обмотку II - 16 витков провода ПЭВ-2 0,44 - наматывают поверх обмотки I. Обе они должны быть распределены по сердечнику равномерно. (Напомним, что феррит М3000МН имеет низкое объемное сопротивление и, будучи хорошим абразивом, легко «включается» в схему. Поэтому острые ребра сердечника нужно предварительно загладить, а затем нанести на него изолирующее покрытие.)
В таблице 16 приведена зависимость выходного напряжения Uвых, потребляемого преобразователем тока Iпотр и его КПД h от n - числа подключенных к его выходной обмотке накальных цепей люминесцентных индикаторов типа ИВ-3.
Преобразователь способен работать и от источника напряжением 5 В. Для этого нужно уменьшить число витков обмотки I до 2х100 витков провода ПЭВ-2 0,17 и изменить номиналы резисторов и конденсаторов: R1=R2=11 кОм,
Таблица 16
|
n |
Uвых, В |
Iпотр, мА |
h |
|
1 |
0,83 |
9 |
0,53 |
|
2 |
0,81 |
13 |
0,70 |
|
3 |
0,79 |
16 |
0,81 |
|
4 |
0,78 |
20 |
0,84 |
|
5 |
0,77
|
24 |
0,86 |
|
6 |
0,76 |
27 |
0,89 |
R3=R4=1,5 к0м, С1=С2=0,068 мкФ. Этот вариант преобразователя при тех же условиях имеет Uвых=0,83...0,73 В, Iпотр =14...46 мА, h=0,61...0,88.
Рис. 109. Преобразователь для питания нитей накала люминесцентных индикаторов
10. Автономное питание вибрационных микрокомпрессоров
Автономное питание вибрационных микрокомпрессоров
Для аэрации воды в аквариуме обычно используют вибрационный микрокомпрессор, питающийся от сети переменного тока. Но его нетрудно переделать и для работы от аккумулятора.
На рис. 110 приведена принципиальная схема устройства, преобразующего энергию 12-вольтного аккумулятора в источник переменного напряжения, питающего микрокомпрессор.
В связи с тем, что напряжение на выходе преобразователя представляет собой 6-вольтный меандр, обмотка микрокомпрессора должна быть перемотана. Новая обмотка в микрокомпрессоре МК-Л2 содержит 305 витков провода ПЭВ-2 0,35 (вообще: число витков уменьшают в 220/6, а диаметр провода увеличивают Ц220/6 раз, если номинальное напряжение питания компрессора 220 В).
Нормальной нагрузкой преобразователя является один компрессор типа МК-Л2 или два - МК-2. В таком случае транзисторы VT4 и VT5 могут быть установлены без теплоотводов.
Преобразователь имеет единственную регулировку - подстроечный резистор R2, которым выставляют частоту генерации. Лучше это делать, наблюдая микрокомпрессор в работе: прокачка воздуха
Рис. 110. Преобразователь для питания вибрационных микрокомпрессоров
достигает максимума при совпадении собственного резонанса компрессора с частотой генератора. Кстати, эта частота может отличаться от 50 Гц. Ток, потребляемый преобразователем с одним МК-Л2 в нагрузке, - 0,3 А.
Перемотанный микрокомпрессор может работать и от сети переменного тока, но через понижающий трансформатор 220/6,3 В.
Многолетняя эксплуатация таких преобразователей (они использовались для аэрации воды в больших аквариумах в полевых условиях) показала высокую их надежность.
Рис. 110. Преобразователь для питания вибрационных микрокомпрессоров
11. Датчик «мокрые пеленки»
Датчик «мокрые пеленки»
Сколько-нибудь продолжительное пребывание малыша в мокрых пеленках может ему лишь повредить: опрелости, другие повреждения кожи при этом почти неизбежны. Однако далеко не каждый малыш оповещает своих родителей о случившемся. Так что...
Принципиальная схема прибора приведена на рис. Ill, а. Здесь Э - собственно датчик - два перфорированных металлических электрода размером 15х40 мм (рис. Ill, б), разделенные несколькими слоями сухой марли и скрепленные резиновым кольцом. Электроды связывают с размещенной поблизости электронной частью прибора витой парой или тонким экранированным проводом.
Рис. 111. Датчик «мокрые пепенки»
Входной каскад устройства выполнен на транзисторе VT1. Транзистор закрыт и напряжение на его коллекторе близко к нулю, если межэлектродное сопротивление R превышает пороговое Rпор@60(Uп-1), где R- в килоомах, Uп - в вольтах. Транзистор VT1 переходит в режим насыщения и напряжение на его коллекторе становится близким к +Uп при Rэ < Rпор.
На микросхеме DD1 собран звуковой генератор тревожного звучания. Он остается в невозбужденном состоянии, если транзистор VT1 закрыт, и возбуждается, формируя тревожный акустический сигнал, если VT1 открыт.
В какую часть запеленутого младенца следует «вмонтировать» электроды, решат родители. Важно лишь проследить за тем, чтобы подходящие к ним проводники были размещены от него в стороне и так, чтобы ни при каких обстоятельствах он не мог в них запутаться. При каких-либо сомнениях на этот счет это соединение делают легко обрывающимся, например, проводом ПЭВ-2 0,1.
Конструкция электродов может быть, конечно, и другой. Важно лишь, чтобы они были безопасны для ребенка, имели достаточную площадь (это выясняют в прямом эксперименте) и допускали стерилизацию.
Источником питания прибора может служить любая гальваническая батарея напряжением 9...6 В. Ток, потребляемый им в дежурном режиме, не превышает нескольких микроампер, в режиме тревогименее 3 мА...
Рис. 111. Датчик «мокрые пепенки»
12. О включении ЗП
О включении ЗП
Для того, чтобы обратить внимание на какое-то особое состояние электронного устройства, в него вводят, как правило, тональный
Рис. 112. Парафазное возбуждение ЗП
генератор с пьезоизлучателем типа ЗП на выходе. Но при обычном включении пьезоизлучателя - между нулевой шиной и выходом тонального генератора — громкость его звучания редко бывает достаточной, особенно - в низковольтной аппаратуре.
На рис. 112 приведена схема звукового генератора с парафазньш возбуждением ЗП, при котором мощность акустического сигнала увеличивается вчетверо.
Частота генератора f@0,5·10^6/ (R1+R2)C1 (R - в кОм, С1 - в нФ, f - в Гц) регулировкой резистора R2 может быть выведена на fрез - частоту механического резонанса пьезоизлучателя, что также заметно скажется на громкости его звучания.
Собранный на логических элементах КМОП-микросхем серий К 176, К561, 564 и др., генератор может быть настроен в резонанс практически с любым пьезоизлучателем. Он быстро возбуждается, формируя, при необходимости, и 3...5-миллисекундные «щелчки».
Ток, потребляемый генератором в паузе (на входе - 0), составляет доли микроампера, при возбуждении (на входе - 1) - 1...2 мА.
Отдача ЗП заметно увеличится, если он будет отделен от возбудителя буферными элементами. Это связано с улучшением условий возбуждения генератора, уменьшением длительности его фронтов. В качестве буферных могут быть использованы свободные элементы той же микросхемы, но лучше взять КМОП-элементы с низкоомными каналами, например, инверторы микросхемы К561ЛН2 (рис. 113). Генератор с еще более низкоомным выходом можно построить так, как показано на рис. 114.
Мощность сигнала, излучаемого ЗП, возрастет еще, если последовательно с ним включить катушку индуктивности L1 (на рис. 113 и 114 показана пунктиром).
Рис. 113. Генератор с буферными элементами
Рис. 114. Генератор повышенной мощности
Если L1 выбрать так, чтобы на частоте механического резонанса возник и электрический резонанс (по электрическим характеристикам ЗП близок к конденсатору емкостью 30...100 нФ), т.е. взять L1@2,5·10^10 / (fрез^2)·Cзп где: L1 - в мГн; Сзп - емкость ЗП - в нФ, fрез - в Гц, то напряжение на ЗП может Значительно превысить напряжение питания микросхем с соответствующим увеличением излучаемой им мощности Рвых (Рвых пропорциональна квадрату напряжения, прилаженного к ЗП). Этот эффект будет особенно заметен в генераторах, имеющих малое выходное сопротивление, поскольку оно входит в последовательный L1Cзп - контур и, наряду с потерями на излучение, определяет его добротность.
Рис. 112. Парафазное возбуждение ЗП
Рис. 113. Генератор с буферными элементами
Рис. 114. Генератор повышенной мощности
13. Электронный «кубик»
Электронный «кубик»
Монеты, кости, барабаны, различные экзотические механизмы с шарами и пр. хорошо известны по многочисленным лотереям, играм, жеребьевкам и т.п. Их назначение состоит прежде всего в том, чтобы в процедуре, исключающей приоритет, выбрать одно событие из N равновозможных. Но устройство такого назначения может быть выполнено и без применения механических средств*.
На рис.115 приведена принципиальная схема электронного датчика случайных чисел, в котором NО{2, 3,..., 62, 63} - т.е. N может быть любым числом из этого множества.
Элементы DD4.1 и DD4.2 составляют триггер. При нажатии кнопки SB1 он переходит в состояние, при котором на выходе элемента DD4.1 появляется 1 — напряжение высокого уровня. Оно сохраняется до тех пор, пока импульс с выхода элемента DD5.2, возникающий в момент отпускания кнопки, не возвратит триггер в исходное состояние.
Элементы DD4.3 и DD4.4 и кварцевый резонатор ZQ1 составляют генератор, возбуждающийся при появлении напряжения высокого уровня на входе (выв. 13) элемента DD4.3. Десятичный счетчик, выполненный на микросхемах DD1 и DD2 и работающий синхронно с двоичным счетчиком DD3, - демонстрационный: его состояние отображает табло, составленное из люминесцентных индикаторов HG1 и HG2. Резистор R6 и набор диодов VD1...VD6 составляют конъюнктор — схему, реализующую логическую функцию «И». Какие именно входы этого «И» будут активизированы, зависит от перемычек на контактном поле XX. В соответствии с «весами» разрядов счетчика DD3 этими перемычками выставляют желаемую величину N.
Так, задействованный на схеме набор перемычек соответствует N=4+32=36. Легко видеть, что при переходе счетчика DD3 в состояние «36» (100100) на выходе элемента DD5.4 возникает импульс, возвращающий все счетчики устройства в исходное состояние. Этому состоянию будут соответствовать «0» на всех выходах счетчика DD3 и «1» на тех выходах демонстрационных счетчиков DD1 и DD2, которые потребуются для изображения символа «0» на индикаторах HG1 и HG2. При N=36 последовательность состояний в счетчиках будет: 0, 1, 2,..., 34, 35, 0, 1, 2,...
На рис. 115 справа внизу показаны и некоторые другие позиции контактных перемычек на поле XX.
Каков принцип формирования случайных чисел в этом автомате? При нажатии кнопки SB1 включается генератор и счетчики делают множество «оборотов» - полных по модулю N циклов. При отпускании кнопки счет прекращается и на счетчиках остается «хвост» - младшие разряды общего числа импульсов, поступивших за это время на их С-входы. Они и высвечиваются на табло. Процедура похожа, очевидно, на бросание монеты.
В устройство могут быть, конечно, внесены изменения. Люминес- центные индикаторы можно заменить светодиодными, подключив
Рис. 115. Электронный «кубик»
их сегменты к выходам демонстрационных счетчиков так, как это показано на рис. 116. Кварцевый генератор тоже не обязателен. Его может заменить RC-генератор, возбуждающийся на частоте не менее 25 кГц (кварцевый резонатор заменяют конденсатором емкостью 2000 пФ, сопротивление резистора R4 уменьшают до 2...3 кОм).
Конечно, не предел здесь и N=63. Заменив шестиразрядный счетчик DD3 более длинным (например, двенадцатиразрядным К1561ИЕ20) и дополнив диодно-резисторный «И» еще одним диодом, можно довести N до 99. А введя еще один демонстрационный счетчик и индикатор (на «сотни») и увеличив общее число диодов в «И» до десяти, можно построить «кубик» с тысячью «граней» (N=999).
Электронный «кубик» не требует наладки. Но в равновероятности генерируемых им чисел полезно убедиться, набрав многочисленными пробами достаточный для этого материал.
Одно из возможных применений такого генератора - формирование кодового числа для охранной системы. Установив N=10 и «бросив» электронный «кубик» М раз, получим М-разрядное десятичное число-код. В нем не будет никаких особенностей - ни размера обуви, ни года рождения, ни номера паспорта, ни числа «п» или «е», ни температуры абсолютного нуля, ни каких-либо других удобных для владельца - и для электронного «взломщика» тоже! — чисел. Узнать, «расколоть» полученное таким образом число можно лишь методом проб и ошибок, перебором. А такого рода попытки нетрудно обнаружить и пресечь в самом их начале.
*) Важную роль в таких устройствах играет, конечно, наглядность выбора, его очевидная равновероятность. Электронные устройства в этом отношении уступают механическим. И не только в наглядности, которую так или иначе можно имитировать. В них особенно легко встраивается и непросто обнаруживается тайный приоритет.
Рис. 115. Электронный «кубик»
14. Регулятор яркости в торшере
Регулятор яркости в торшере
Принципиальная схема регулятора показана на рис. 117. Ключевой его элемент - тиристор VS1, фаза включения которого в каждом полупериоде зависит от постоянной времени цепи (R1+R2)C1.
Устройство позволяет изменять в широких пределах яркость лампы мощностью до 200 ватт. Вообще его нагрузкой может быть любое устройство соответствующей мощности, не содержащее скольконибудь заметной индуктивности: паяльник, кипятильник и т.п..
Если диодный мост КЦ405А заменить другим, с большими рабочими токами, то нагрузку можно увеличить, в пределе - до 2 кВт. Тиристор и диоды моста в таком случае потребуется поставить на теплоотводы.
Рис. 117. Тирисгорный регулятор в торшере
Рис. 117. Тиристорный регулятор в торшере
15. Зарядное устройство
Зарядное устройство
Как правило, аккумулятор заряжают током I=0,1 E (I - в амперах, Е - емкость аккумулятора - в амперчасах) в течении 15 часов. Это нормальный, стандартный режим зарядки для большинства аккумуляторов*. На рис. 118 приведена принципиальная схема устройства, выдерживающего этот режим автоматически.
Здесь DD1, ZQ1 и др. - генератор импульсов, период следования которых равен 1 мин. Если элемент DD3.3 разблокирован (лог. 1 на его входе 9), то число N в счетчике DD2 будет ежеминутно увеличиваться на одну единицу. Пока N<904 (15 часов 4 минуты), на выходе диодно-резисторного дешифратора VD3-VD6, R4 сохраняется напряжение, близкое к нулю (лог. 0), на выходе DD3.4 - напряжение, близкое к напряжению питания микросхем (лог. 1), и через открытый до насыщения транзистор VT2 генератор зарядного тока (на рис. 118 он обведен штрих-пунктиром) будет подключен к +U, источника питания.
Ток Iз - зарядный ток аккумулятора - зависит от сопротивления резистора R10; Iз@2,7/R10 (Iз - в амперах, R10 - в омах). Так, если Iз=0,35 А (заряжается аккумулятор типа НКБН-3,5), то сопротивление резистора R10 должно быть: R10=2,7/0,35@7,7 Ом (мощность, которая будет рассеиваться на нем, - Pr10=(Iз^2)·R10=(0,35^2)·7,7@1 Вт). А если Iз=0,045 А (таким током заряжают аккумуляторы типа ЦНК-0,45), то R10=2,7/0,045=60 Ом (Рк10<0,25 Вт).
Рис. 118. Зарядное устройство
Зарядный ток Iз останется неизменным на протяжении всех 15-ти часов при условии, что Uип-Uак max>6 В, где Uак max - напряжение на аккумуляторе в конце зарядки. Так при зарядке 6-вольтного аккумулятора типа НКН (для его пяти банок Uак max@5·1,5=7,5 В) напряжение источника питания должно быть Uипі13,5 В (7,5+6). Однако не следует брать Uип с очень большим превышением над Uак max, так как мощность, рассеянная на транзисторе VT3 - Р=Iз(Uип-Uак) - может привести, при недостаточном теплоотводе, к его перегреву.
Процесс зарядки прекратится по достижении N=904. Напряжение низкого уровня, возникшее на выходе DD3.4, отключит генератор зарядного тока и заблокирует (лог. О на входе 9 DD3.3) канал передачи сигнала от DD1 к DD2. В этом положении зарядное устройство останется до следующего старта системы - до нажатия кнопки SB1, которое установит счетчики DD1 и DD2 в исходное состояние.
*) В этом режиме аккумулятор получает от источника 150% своей номинальной разрядной емкости.
Рис. 118. Зарядное устройство
16. Электронный «самописец»
Электронный «самописец»
Для длительной записи значений медленно меняющихся величин издавна пользуются механическими самописцами. И сегодня еще можно увидеть термограф или барограф с барабаном, медленно вращаемым часовым механизмом, и пером, что-то вычерчивающим на его поверхности. Однако в наше время такого рода задачи могут решаться без применения механических средств.
На рис. 119 изображена принципиальная схема электронного «самописца». Он способен в течение суток через каждые десять минут (144 отсчета) запоминать двуразрядое десятичное число (любое из 100 возможных значений измеряемой величины) и воспроизводить записанное на своем табло.
Из того, что кажущуюся непрерывной механическую запись мы заменяем здесь дискретной электронной, вовсе не следует, что это ведет к потере точности. Ограниченная погрешностями механическая запись (уже отличающаяся от того, что должно быть записано)также не позволяет вести отсчет произвольно малым шагом. Поэтому важно лишь, чтобы принятое электронное квантование не было слишком грубым.
Запоминающее устройство (ОЗУ) «самописца» составлено из восьми КМОП- микросхем DD1-DD8. Микросхемы DD1-DD4 служат для записи младшего разряда числа в двоично-десятичном коде,
a DD5-DD8 — старшего. Адрес выбранной ячейки памяти определяется состоянием адресного счетчика DD14, DD15. Синхронно с этим счетчиком работают часы, собранные на микросхемах DD11-DD13. Показания времени выведены на табло, составленное из индикаторов HG3-HG5 (HG3 - десятки минут, HG4 - часы, HG5 - десятки часов).
Временная дискретность записи задана счетчиком DD16 с встроенным генератором, работающим на частоте кварцевого резонатора ZQ1, и счетчиком DD17. Счетчик DD18 формирует управляющие импульсы, смещенные во времени один относительно другого в пределах одного такта.
Число, считанное из ОЗУ (с выводов 13 микросхем ОЗУ), дешифраторы DD9, DD10 поразрядно преобразуют в код семисегментного индикатора. Оно высвечивается индикаторами HG1 (младший разряд) и HG2 (старший).
Управление прибором несложно. Включив питание и установив переключатель SA1 в положение «Запись», входной датчик переводят в нулевое состояние (уровень 0 должен быть на входах всех ОЗУ) и дважды нажимают на кнопки «Стирание памяти» и «Пуск» одновременно. Длительность каждого нажатия не менее 0,15 с - этим очищают память от предыдущих записей. Затем переключатель SA1 переводят в положение «Чтение» и несколькими нажатиями кнопок SB1 и SB2 устанавливают на часах «самописца» текущее время. В этом положении проверяют состояние памяти: она чиста, если после нажатия на кнопку «Пуск» часы покажут то же самое время. Вернув переключатель. SA1 в положение «Запись» и разблокировав датчик, нажимают на кнопку «Пуск». С этого момента «самописец» начинает работать в автоматическом режиме: отсчитывает десятиминутные интервалы и в конце каждого из них записывает поступившую информацию в очередную ячейку памяти. Через сутки он прекратит запись.
Установив теперь переключатель SA1 в положение «Чтение», мы увидим на индикаторах HG3-HG5 время начала записи и, нажав кнопку «Пуск», прочтем на индикаторах HG1 и HG2 значение первого отличного от нуля записанного числа, а на индикаторах HG3- HG5 - время его записи. Следующим нажатием на кнопку «Пуск» выводят на индикаторы значение и время записи следующего ненулевого числа, и так далее. Чтение циклично, т.е. от последней записи «самописец» вновь переходит к первой; таким образом содержимое памяти может быть прочитано не один раз. Перейти к чтению
Рис. 119. Электронный «самописец»
записанного можно и до истечения суточного цикла записи. Преобразователь включается в режиме «Чтение» ключом, собранным на транзисторе VT3.
Трансформатор Т1 изготавливают так, как описано в «Преобразователе для питания люминесцентных индикаторов» (см. с. 136).
Для подавления импульсных помех, распространяющихся по цепям питания, на печатной плате прибора следует предусмотреть место для оксидного конденсатора емкостью 100 мкФ или более, и трех-четырех конденсаторов типа КМ-б 0,22 мкФ, размещенных в разных Местах платы (на рис. 119 не показаны).
Многие современные измерительные приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), формируют результаты измерений в двоично-десятичном коде. При введении их в «самописец» нужно лишь обратить внимание на электрическое согласование выходов измерительного прибора и входов «самописца»: лог. О должен представляться напряжением 0...0,4 В, а лог. 1 - напряжением, близким к напряжению питания «самописца».
Источником информации может быть не только измерительный прибор с АЦП. На рис. 120 изображена принципиальная схемасчетчика, суммирующего элементарные события - замыкания контактного датчика SF1. В конце каждого десятиминутного интервала очередная сумма переписывается в память «самописца» и счетчик возвращается в нулевое состояние сигналом Uобн - коротким импульсом «единичной» амплитуды, снимаемым с выхода 4 (выв. 10) счетчика DD18 «Самописца» (рис. 119). Во избежание переполнения (циклического счета) счетчика, введена цепь VD1, VD2, R4: при появлении в DD1- DD2 числа «99» на входе 6 DD3.2 устанавливается 0 (напряжение низкого уровня на выходе 15 счетчика К176ИЕ2 устанавливается лишь в позиции «9»), прерывающий дальнейший счет.
Во многих случаях информация о числе событий в единицу времени на протяжении суток может представлять определенный интерес. В варианте с контактным датчиком «самописец» использовался
Рис. 120. Счетчик событий
для измерения суточной активности животных. Со счетчиком Гейгера он становился радиационным контролером, фиксировавшим колебания уровня радиации в районе своего расположения. А контролируя нейронную активность животного (на входе счетчика - усилитель с микроэлектродом), давал в руки экспериментатора количественные ее показатели. Возможны, конечно, и другие источники информации.
Общее время записи и длительность временного интервала могут быть, конечно, другими. Если вход С счетчика DD17 (см. рис. 119) подключить к выходу S1 (выв. 4) счетчика DD16, то общее время записи сократится до 24 мин, а временной интервал - до 10 с. Длительность записи можно и увеличить. Заменив счетчик DD17 делителем частоты с коэффициентом деления 1440, а часы «самописца» - на календарь и соединив оба входа элемента DD21.2 с выходом 8 (выв. 11) счетчика DD15, получим прибор, способный более восьми месяцев вести ежесуточную запись.
Можно значительно увеличить и объем памяти «самописца», заменив, например, микросхемы К176РУ2 на имеющие такую же структуру, но значительно более «емкие» (в 16 раз) микросхемы типа К537РУ2.
Для того, чтобы при случайном отключении источника питания информация не была потеряна, рекомендуется встроить в прибор резервный источник с напряжением на 1...2 В меньше основного. Основной и резервный источники подключают к шине +9 В через диодную сборку, выполненную на германиевых диодах.
Ток, потребляемый «самописцем» в режиме записи, не более 0,4 мА, в режиме чтения - 26 мА.
Рис. 119. Электронный «самописец»
Рис. 120. Счетчик событий
17. Телефонный блокиратор
Телефонный блокиратор
Поговорить с кем-то на другом краю земли за чужой счет не составляет большого труда: наши телефонные линии доступны почти кому угодно. Однако можно значительно затруднить эту форму воровства.
Очевидно, воспользоваться чужой телефонной линией не удастся, если трубка снята и владелец сам ведет телефонный разговор. Тогда напрашивается простой, казалось бы, способ защиты: на время своего отсутствия оставлять трубку телефона снятой. Но это может кончиться тем, что линия будет отключена на телефонной станции.
Можно сконструировать устройство, которое в норме не будет нагружать телефонную линию, а при криминальных подключениях к ней тут же введет в нее нагрузку, имитирующую режим снятой трубки. На рис. 121 приведена принципиальная схема такого устройства*.
В дежурном режиме работы - телефонная трубка не поднята ни на основном, ни на «криминальном» аппарате - конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до напряжения на стабилитроне VD5 (+5 В). Таким образом формируется напряжение питания микросхемы DD1. Резисторы R6 и R7 подобраны так, что напряжение на входах инверторов DD1.1, DD1.2 в этом случае достигает значения, соответствующего лог. 1, и, соответственно, напряжение на их выходах будет близко к нулю (лог. 0). На выходе инвертора DD1.4 также, очевидно, установится низкое напряжение (на входе DD1.3 - лог. 0) и транзисторы VT2 и VT1 будут закрыты. Ток, потребляемый блокиратором в этом режиме, не превышает 0,2 мА.
В режиме блокировки - при снятой трубке на любом из телефонных аппаратов - напряжение на входах инверторов DD1.1, DD1.2 уменьшится до уровня лог. 0 и на их выходах появится, соответственно, лог.1 - +5 В. В течение R9·C2=40...50 с это напряжение будет приложено и ко входу инвертора DD1.3. После двойной инверсии на выходе DD1.4 установится напряжение +5 В, которое откроет транзистор VT2, а он - транзистор-ключ VT1. В результате
Рис. 121. Блокиратор телефонного набора
телефонная линия окажется зашунтированной резистором R2 и напряжение на ней уменьшится до величины, При которой набор номера становится невозможным.
Шунтирование будет продолжаться 40...50 с. Если «криминальная» трубка остается снятой, то ничего не происходит до попытки набрать номер: первые же прерывания номеронабирателя приведут к повторному шунтированию телефонной линии. Если трубка будет опущена, то напряжение на линии достигнет 60 В и устройство перейдет в свой обычный дежурный режим.
Микросхему DD1 можно заменить на К561ЛА7, К561ТЛ1, а сгруппировав соответствующим образом «лишние» инверторы на К561ЛН2. При замене транзисторов нужно иметь в виду, что они должны быть достаточно высоковольтными: при вызывном сигнале напряжение в линии достигает 90 В и более. В качестве VT1 годятся КТ851Б, КТ3157А, КТ9115А; на месте VT2 - КТ604, КТ605, КТ850 (Б и А).
Устройство блокирует работу любого телефонного аппарата, в том числе и своего. По возвращении домой блокиратор отключают, а для борьбы с телефонными, ворами используют другие средства.
*) Блокиратор является модификацией описанного в [З].
Рис. 121. Блокиратор телефонного набора
18. Прибор для проверки зрения
Прибор для проверки зрения
Диагностически удобным признаком, позволяющим судить о состоянии зрения, является способность глаза замечать быстрые изменения тестовой «картинки» [4]*.
На рис. 122 приведена принципиальная схема светогенератора, формирующего красно-черные и зелено-черные меандры (светодиод АЛС331АМ) различной частоты, которая тут же и измеряется.
Задающий генератор прибора выполнен на элементах DD5.3, DD5.4, R3, R4, С1. Он возбуждается на частоте Fз@1/2(R3+R4)C1. Счетчик DD2 понижает F в 4 раза - этот сигнал (выв. 4) поступает на измерительный блок DD3, DD4, HG1 - и в 64 раза (сигнал на выв. 12) - до рабочей частоты самого светогенератора.
Интервал времени, на котором производится измерение частоты, - 64 мс. Он формируется генератором, частота которого задана и стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1 (DD5.1, DD5.2 и др.). Счетчиком-делителем DD1 эта частота понижается до величины,
Рис. 122. Прибор для проверки зрения
при которой на выходе Q12 DDL возникает «единичный» импульс нужной длительности**.
Легко видеть, что измеряемая частота в 16 раз выше частоты следования самих «световых» меандров. Это позволило ускорить измерение, сделать его следящим (задержка менее 0,25 с).
При включении прибора все его счетчики устанавливаются в нулевое состояние импульсом, длительность которого близка R6-C2sO,5 с. Каждое элементарное измерение частоты начинается с появления на выходах Q12 и Q13 счетчика DD1 стартовой комбинации «11». Ее фронтом счетчики DD3 и DD4 устанавливаются в нулевое состояние (длительность импульса на их R-входах - R5·C3@10 мкс), а на входе элемента DD6.2 появляется сигнал «1», разрешающий счет. Это будет длиться до тех пор, пока на выходе Q12 не возникнет «0» (это произойдет через 64 мс). С этого момента и до начала следующей стартовой комбинации на табло HG1 будет демонстрироваться результат только что проведенного измерения. (Введение в стартовую комбинацию сигнала с выхода Q13 позволило увеличить длительность показа на табло результата измерения втрое.)
Переключателем SA1 устанавливают цветность меандра: либо «красно-черный», либо «зелено-черный». Яркость свечения светодиода в обоих этих режимах устанавливают (если это представляется нужным) подбором сопротивления резисторов R10 и R11.
Все постоянные резисторы в приборе - типа МЛТ-0,125; переменный R4 - линейный (тип А), с удобной ручкой . Конденсаторы С1...С4 - КМ-6 или им подобные, С5 - К50-35 и др. Транзисторы VT1, VT2 - практически любые p-n-p. Поскольку один из элементов микросхемы DD6 здесь не используется, его входы нужно соединить с «+» источника питания или с «землей».
Из четырех разрядов табло ИЖЦ5-4/8 здесь используются лишь два. Это может быть, конечно, любая пара, но лучше смотрятся смежные разряды (на рис. 122 закоммутированы два младших разряда этого табло).
Светодиод HL1 рекомендуется сделать выносным, смонтировав его в глубине зачерненной воронки, которую прикладывают к глазу так, чтобы светодиод оказался бы в поле центрального зрения. (Периферическое зрение, обладающее, кстати, значительно меньшей инерционностью, относится к другим «сферам» зрительного тракта и особого интереса здесь не представляет.)
Инерционность нормального глаза довольно мала: красные мелькания светодиода он перестает замечать лишь на частотах 40...42 Гц, зеленые - еще на 2...3 Гц выше. Понижение частоты, при которой глаз перестает замечать мелькания, до 35...30 Гц и значительное расхождение частот для красного и зеленого - повод для обращения к врачу.
*) Мы не касаемся здесь, конечно, медицинских аспектов этой диагностики.
**) На самом деле здесь был бы нужен импульс длительностью 62,5 мс (1/16 с). Но ошибка (+2,5%) достаточно мала и мы ею пренебрегаем.
Рис. 122. Прибор для проверки зрения
19. Экономичный стабилизатор напряжения
Экономичный стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения - по самому своему назначению узел вспомогательный - в микромощных устройствах нередко оказывается основным энергопотребителем. На рис. 123 приведена принципиальная схема стабилизатора, обладающего малым собственным энергопотреблением.
Его основные параметры:
| Напряжение на выходе Uст | .5...10 В |
| Минимальное напряжение на входе Uвх min | Uст+(0,03...0,1) В |
| Потребляемый ток | 30...50 мкА |
| DUст/DUвх | 0,03% |
| DUст/DT | 0,3%/ °с |
Отличительная особенность стабилизатора - бестоковое формирование опорного напряжения: в качестве своего рода «стабилитрона» в нем использован п-канальный полевой транзистор с изолированным затвором, работающий в режиме обогащения. Транзистор резко изменяет свою проводимость при напряжении на затворе, близком к пороговому.
Стабилизатор имеет динамический самозапуск: при подключе нии источника питания транзистор VT1 открывается как ключ на время t@R2·Cl. Оно должно быть достаточным для того, чтобы напряжение на конденсаторе С2 достигло 3...3,5 В. Запуск будет устойчивым во всех режимах, если R2·C1>(2...3)Rи·C2, где Rи - внутреннее сопротивление источника питания в состоянии, близком к истощению.
Ток нагрузки стабилизатора может изменяться в достаточно широких пределах - от нескольких десятков микроампер до 20...30 мА.
Рис. 123. Экономичный стабилизатор напряжения
Его предельные значения зависят в основном от теплового режима и тока Iк0 транзистора VT1.
Сопротивление изоляции конденсатора С1 должно быть не менее 50 МОм. Выводы незадействованных транзисторов в DD1 можно оставить свободными.
Стабилизатор способен работать и в обычном режиме статического самозапуска, В этом случае надо лишь зашунтировать транзистор VT1 резистором (на схеме - RS), Его сопротивление рассчитывают, исходя из неравенства;
Rн[(Uвх max/Uст) -1]<R8 < Rн[(Uст/3,5)-1], где Rн - сопротивление нагрузки, кОм; Uвх max- напряжение свежего источника питания, В; Uст - напряжение на выходе стабилизатора, В.
Так, при Uвх max=9 В (свежий «Корунд»), Uст=6 В и Rн=4 кОм (гетеродин приемника) имеем 2 кОм < R8 < 2,85 кОм, и номинал шунтирующего резистора может быть любым в этих пределах. Собственный ток такого стабилизатора не превысит 0,04 мА.
Но это условие выполнимо не при любых сочетаниях Uвх max, Uст, Rн, соответственно, стабилизатор не всегда может быть переведен в режим статического самозапуска.
При статическом самозалуеке стабилизатора резистор R2 и конденсатор С1 в работе стабилизатора не участвуют и могут быть удалены. Цепь сток-исток транзистора VT2 следует разорвать, отключив вывод 12 микросхемы.
Рис. 123. Экономичный стабилизатор напряжения
11. О конструировании технорецепторов
О КОНСТРУИРОВАНИИ ТЕХНОРЕЦЕПТОРОВ
Что же здесь такого уж нового? спросит читатель. И это все, что автор может предложить «новому поколению»?...
Размышления о возможном направлении радиолюбительских работ, о том, что радиолюбитель мог бы сделать своими руками, не дожидаясь, когда на это обратит внимание казенная или коммерческая электроника, тема заключительной части этой книги. И адресована она, конечно же, радиолюбителям нового поколения. Но не только радиолюбителям...
Когда-то, на волне первой электронной эйфории возникло направление, которое стали называть бионикой. Его энтузиасты пытались понять, каким образом в мире живого достигаются результаты, от которых так далеки их собственные разработки. Понять и, конечно, превзойти...
В живом удивляло все. От органорецепторов, с их фантастической чувствительностью и разрешающей способностью, до общей организации нервной системы, неспешно, но мгновенно решающей задачи, остающиеся голубой мечтой и для нынешних компьютеров с их бешеными скоростями.
Но к биологическим «рекордам» не удалось даже сколько-нибудь заметно приблизиться. Не говоря уж о габаритах и весе электронных «чемоданов», которыми достигались и эти скромные результаты.
На том работы по бионике и кончились. Суть происходящего в живом, алгоритмы, которыми та или иная биологическая особь пользуется, решая насущные свои задачи, остались не понятыми. А успехов от быстродействующего электронного «навала» не произошло. Количество не захотело переходить в качество...
Но появились а в конце нашего века стали принимать все более и более грозные очертания обстоятельства, которые заставляют нас вновь обратиться к опыту живой природы.
Удобства и удовольствия цивилизованной жизни связаны, как это мы уже начинаем осознавать, с нарастающими изменениями в среде обитания человека. Изменениями, затрагивающими сами основы его биологического существования.
За удовольствия, как утверждают, надо платить. Но чем, как и сколько? На эти вопросы без видимых затруднений отвечают люди, «отвечающие» за технический прогресс. Они уверяют нас, что плата эта очень невелика. Что выгоды безусловно перекрывают потери. Рассказывают о том, что любой новый продукт, новая технология, вообще все новое проходит тщательную научно-техническую экспертизу и, лишь удовлетворив определенным нормам, получает путевку в жизнь.
Оставив пока все это без комментариев, обратимся лишь к всегда возникающему в таких разговорах слову «норма». Каков смысл этого понятного всем нам, казалось бы, слова? Несколько примеров.
Существуют международные нормы (о нормировании таких вещей отдельный разговор) на загрязнение продуктов питания радиоцезием (цезий-134 + цезий-137) не более 600 Бк/кг для любого продукта. (Бк беккерель диница радиоактивности; соответствует одному распаду в секунду.) Наши нормы до самых недавних пор превышали эти международные в 10...15раз и более. А на многие продукты не устанавливались вообще.
«Нормы» могут меняться и во времени. Многие из нас еще помнят рентгеновские аппараты для примерки обуви (московский ГУМ), «лечение» рентгеном ангины. Помнят часы со светящимися циферблатами, содержащими радий-226 (альфа, бета, гаммаизлучатель с периодом полураспада 1600 лет), и многое-многое другое, тоже бывшее когда-то «нормой».
Можно было бы попытаться объяснить эту странную подвижность «норм» последними, лишь недавно полученными научными результатами, заставляющими пересматривать неверные представления о воздействии на человека саму по себе чрезвычайно консервативную биологическую единицу того или иного технопродукта. Но увы: все, что касается вышеприведенного, было известно очень давно.
Такого рода примеры можно было бы множить и множить. Но и этого достаточно, чтобы понять: «нормы», о которых нам говорят, имеют особый, отличный от общепринятого смысл.
Эти «нормы» результат ведомственных исследований, выполненных, как гласила чеканная формула, «в свете указаний».
Указания могли быть самыми разными... До, например, требования снизить балльность землетрясений в районе нового строительства.
Бывало и такое... «Только имейте в виду, чтр один кюри* на квадратный километр нам не нужен» говорил член правительства своему академику (заказывалась значительно более высокая «норма» радиационного загрязнения в послечернобыльские времена). И это было..
Но кроме наук, направленных на решение такого рода «практических задач», есть еще наука академическая, которая относительно редко оказывается в таком уж явном подчинении у знающего, каким должен быть результат. Так может быть она уже что-то выяснила и сможет дать дельный совет в этих новых, угрожающих уже всем нам обстоятельствах? Нет, к сожалению. Поведение мировой экосистемы, прогноз ее реакции на мощный пресс со стороны разнородных, никогда прежде не встречавшихся с ее «аборигенами» техногенных новообразований задача чрезвычайной, фантастической сложности. Глобальные модели, которые временами нам демонстрируют, содержат в себе слишком много предположений и допущений, чтобы принимать их всерьез лишь после очень сильного упрощения картины мира оказывается возможным перейти к каким-то оценкам, строить какие-то прогнозы. Такие разделы науки принято называть математическими: математическая лингвистика, математическая биология и т.п. Занятия ими небесполезны, если не забывать о принятых допущениях. Если помнить, что получаемые здесь результаты можно «прикладывать» к объекту первоначального интереса, лищь удовлетворяя собственное любопытство.
Ну, а что же нам все-таки делать? В который раз целиком и полностью довериться ведомственным специалистам, которые завтра откажутся от своих сегодняшних рекомендаций, или поискать еще какие-то средства?... Пусть не радикальные, но способные хотя бы отсрочить наказание за наше беспутное прошлое и настоящее...
Мир живого существовал задолго до наших о нем представлений. Как ему это удавалось? Неужто для особи того или иного вида в ее отношениях с окружающим было достаточным полагаться лишь на собственную сенсорную систему, лишь на собственные представления об опасном и желанном? Лишь на опыт поколений в ее генах, позволяющий эффективно строить свое поведение и по отношению к впервые увиденному? Весь опыт эволюции на Земле говорит, что именно так оно и было. Оказывается, то, что мы называем развитим и даже прогрессом, было возможно без того, чтобы кто-то за тебя думал и решал...
бднако возможно ли нечто Подобное в нашем новом, техногенном мире? В мире неведомых, в большинстве своем недоступных нашим органорецепторам веществ, полей, сред? Эволюционно? безусловно нет. В любом случае человек как вид не располагает для этого временем (есть и другие препятствия...). Речь может идти лишь о средствах рукотворных. О специальной, исходно ориентированной на такое ее применение технике.'
Что же может представлять собой техника «органолептического» контроля никак себя не проявляющих, подчас смертельно опасных для человека техногенных новообразований? Ответ очевиден: мы должны научиться включать в рецепторное пространство индивидуума ИНДИВИДУУМА! информацию о появлении и относительной активности такого рода объектов.
Попробуем сформулировать требования к этой технике несколько определеннее, как-то обозначить область интересующих нас инженерных разработок. Сверяя их в каждом пункте с функциями органорецепторов и пытаясь следовать выверенному природой в ее тысячелетних экспериментах. Следовать в меру наших нынешних возможностей.
1. Органорецепторы имеют очень высокую, «подфоновую» чувствительность. Почему? Две причины легко просматриваются. С одной стороны, высокая чувствительность рецептора позволяет обнаружить нарастающие изменения фоновой ситуации (намеренно пользуемся таким неопределенным выражением) в самом их начале. И, сосредоточившись на этих изменениях,'оценить заблаговременно опасность или, наоборот, их привлекательность.
С другой стороны, фон выступает здесь в качестве своего рода тест-генератора, непрерывно (!) проверяющего работоспособность органорецептора.
В рецепторе полезный сигнал может быть замаскирован шумом (будем понимать под этим весь комплекс факторов, дестабилизирующих его работу). Но может и не быть. Так, например, реакция счетчика Гейгера на естественный радиационный фон скорость счета в имп/мин - просто паспортная его характеристика. Скорость счета уменьшится, если мы спустимся в метро, и будет расти в самолете, набирающем высоту. И, разумеется, если мы приблизимся к источнику радиации...
Но даже если полезный сигнал исчезает в шумах, сегодня существует ряд приемов, позволяющих его оттуда извлечь. Правда, это потребует дополнительных затрат (они резко уменьшились с появление микроэлектронной техники) и, как правило, времени.
2. Органорецепторы работают непрерывно. Вспомним, что один лишь «видеоканал» человека имеет в своей работе перерывы, остальные включаются при рождении и отключаются незадолго до смерти. А то и после...
В этом отношении технорецепторы, снабженные даже самыми современными источниками питания, далеки от своих биологических прототипов. Оставив разработку высокоемких автономных энергоисточников специалистам (этим занимаются очень многие), разработчикам технорецепторов остается сосредоточиться на минимизации энергопотребления своих творений. Доведения его до величины, при которой продолжительность непрерывной работы технорецептора хотя бы отчасти приблизилась к нужной.
Современная электронная техника имеет в этом отношении несомненные успехи. Точнее - успех. Он связан с разработкой n и p-канальных полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения. Комплементарные (n- и р-канальные) их структуры составляют основу современной КМОП-техники. Энергопотребление КМОП-микросхем в статике - в режиме «горячей готовности»! — доведено сегодня почти до нуля.
Но цифровая техника - это техника электронных «мозгов», занимающихся переработкой информации. Которую еще надо получить.
Эта задача породила особый класс микросхем - так называемые аналого-цифровые компараторы. Такой компаратор включает в себя операционный усилитель (ОУ), способный многократно усилить слабый сигнал, и выходной каскад, формирующий из него сигнал цифрового стандарта для КМОП-анализатора. В части энергопотребления узкое место в -компараторе - усилитель. Его статическое (!) энергопотребление жестко связано со способностью усиливать сигналы высокой частоты: чем высокочастотной ОУ, тем выше его энергопотребление и в режиме «горячей готовности».
Но органорецепторы столь медлительны (по электронным меркам, конечно; задержка сигнала исчисляется в них миллисекундами, в лучших - долями миллисекунды), что конструктору технорецептора остается лишь выбрать или сконструировать предельно экономичный компаратор. Его быстродействие почти наверняка будет достаточным.
3. Органорецепторы не работают «в одиночку». Это относится не только к органорецепторам: многократное дублирование в биологии - принцип. Смысл его не вполне ясен. Конечно, дублирование функций делает систему очень устойчивой. Даже при значительных и необратимых повреждениях целых рецепторных «полей» неповрежденного нередко вполне хватает особи на всю оставшуюся жизнь.
Но такая «многоканальная» связь с внешним миром в мире живого может иметь и иные цели. Можно предположить, что таким образом удается компенсировать (как - отдельный разговор; за это, как минимум, Нобелевская премия) довольно медленную нейронную «технику» - ведь даже по самым быстрым нервным волокнам возбуждение распространяется со скоростью менее 100 метров в секунду. А если это так, то дублирование в технорецепторах может быть резко сокращено - лишь до достаточной надежности «пучка» технорецепторов. Правда, быстродействие технорецептора должно быть в этом случае увеличено.
4. Следующее качество органорецептора лучше пояснить графиком (рис.154). Если по оси Х отложить (опять-таки в каких-то умозрительных единицах) уровень воздействия на рецептор, а по оси Y - его реакцию на это воздействие, то график функции Y=f(X) в значительной своей части будет линейным. То есть, будет наблюдаться почти прямая пропорциональность между воздействием и реакцией на него.
До начала координат график этой функции, конечно, не доходит: реакция рецептора на сигналы Х<Хш будет замаскирована его собственными шумами Yш.
Линейность графика Y=f(X) при Х>Хл обычно нарушается. Рецепторный аппарат принимает меры к тому, чтобы не «ослепнуть»: сохранить - пусть и меньшую - чувствительность к изменениям Х и дать тем самым особи шанс выбраться из этой явно некомфортной для нее ситуации.
Рис. 154. К линейности технорецептора .
Что из этого следует? Следует очень важный принцип: органорецептор не дает, а технорецептор не имеет права давать своих оценок происходящему. Делить что-то на «можно» и «нельзя» - не его функция. Его забота - довести до сведения. И только!
При конструировании технорецепторов проблема линейности обычно не Возникает. Такая зависимость между воздействием и реакцией на него относится к естественной норме. Во всяком случае - в области малых возмущений. Но не только в малых. Так, например, с ростом уровня радиации до тысячекратно превышающей естественный радиационный фон скорость счета в том же счетчике Гейгера растет почти прямо пропорционально этому уровню.
5. Органорецептор реагирует на изменения. Эта особенность восприятия внешнего мира настолько обычна в мире живого, что оказывается, как правило, «закоммутированной» непосредственно в органорецепторе. Среагировав на возникшее изменение, выдав в «центр» пропорциональный этому изменению сигнал, Органорецептор на этом «успокаивается».
Но реагируя таким образом на внешние события, Органорецептор не теряет способности оценить и статичную ситуацию. Для этого нужно лишь перевести его в режим сканирования. В зрительном тракте, например, этот «прыгающий» режим - безусловно-рефлекторная норма: глаз с неизменной картинкой на сетчатке просто перестает ее видеть.
Контроль лишь приращений, изменений во многих случаях имеет ряд преимуществ перед фиксацией абсолютных величин. Этот прием, заметим, стал обычным и в компьютерной технике.
Но что же в конце концов должно быть на выходе технорецептора? Куда и как его «подключать»?
Сегодня технорецепторы работают, как правило, через аудирецептор человека: формируя в чем-то особенный акустический сигнал и «подмешивая» его в окружающий нас акустический фон. В приборах непрерывного радиационного контроля, например, этот сигнал обычно представляет собой редкое (в норме) акустическое пощелкивание.
Хотя в принципе технорецептор мог бы работать через любой Органорецептор. И даже минуя его - воздействуя непосредственно на нервную систему человека. Если, конечно, знать, как это можно сделать. О нынешних наших возможностях можно судить хотя бы по энцефалографической технике, напоминающей попытку прочесть что-то из компьютера, приложив к нему пару мокрых тампонов. Природа не снабдила нервную систему человека хорошим «разъемом».
Собственно здесь, в введений техноинформации в рецепторное поле человека, и лежат основные трудности решения той проблемы,о которой мы говорим. Заметим, что у «сенсорного барьера» остановились и компьютерные разработчики, с видимой легкостью, справлявшиеся со своими внутренними проблемами. Нынешний примитивный контакт человека и компьютера - двух столь богатых по своим потенциальным возможностям систем - становится серьезной помехой и в этой области.
Почему же все-таки технорецепторы» а не измерительные приборы? Может быть мы не правы, так уж старательно следуя природным «образцам»... Что из того, что ни один из органов чувств человека не является измеряющим? Может быть природа ошиблась, или не смогла? Нет же «колес» в живом...
Да, науки, и особенно - точные, почти приучили нас к мысли о том, что без числа - а следовательно, и измерений - ничего серьезного быть не может. Что измерения способны дать более полную информацию об интересующем нас предмете, нежели «органолептическая» его оценка. Но поскольку за все, как мы теперь уже начинаем догадываться, приходится Платить, то чем же население заплатит за эту «более полную» информацию? А тем, что подавляющее большинство из нас не получит никакой: измерения проведет тот, кто сможет, и там, где это окажется возможным. И чем полнее, всестороннее информация, которую намерены получать, тем меньше таких людей, мест и средств. В конце концов все это окажется (уже оказалось) сосредоточенным в группе специализированных учреждений. Но информация, которая, как обещано, поступит к нам оттуда, не отвечает и не будет отвечать самым элементарным требованиям человека. Сродни «средней температуре больных в палате», она придет к нему не только обесцененная усреднением, но и с задержкой, обесценивающей ее еще раз. Не говоря уже о легко реализуемой возможности (что не раз и делалось) внести в нее желательные кому-то коррективы... Вера в то, что оказав материальными и финансовыми средствами помощь учреждениям, взявшим на себя заботу о нашем благополучии, мы сможем сделать эту их деятельность достаточно эффективной - глубокое заблуждение. Таких средств нет. Отделение сенсорной системы от особи - а именно в этом суть нынешних форм контроля окружающей среды - не оставляет для вида перспектив на существование. Сохранив эту форму контроля как безальтернативную, мы можем расходиться лишь в сроках самоуничтожения.
Хотя, заметим, сама по себе такая организация дела - особенно в нашей стране - не является чем-то необычным. Ведь в очень соблазнительной для многих идее всеобщей плановости и всемерной централизации мы по-прежнему не хотим замечать одной «мелочи». Нетрудно - и нам это много раз показывали - продемонстрировать выгоды централизованного руководства на том или ином примере. И даже на примере целой страны, правда - обязательно нищей. То есть, когда имеют дело с относительно малым числом разнородных объектов, с населением, представляющим собой массу неразличимых, взаимозаменяемых единиц. Но когда в таком «графе взаимозависимостей» появляются многие миллионы узлов - неунифицированных производителей-потребителей, выясняется, что просчитать их взаимоотношения, даже в вялотекущей динамике, не удается физически! Что эта задача оказывается непосильной и для самой современной техники с ее сверхбыстродействующими каналами связи и супер-ЭВМ. И это, заметим, в предположении, что мы уже располагаем достаточно полными представлениями об этих взаимоотношениях, что мы знаем, к чему приведет - и в отдаленном будущем тоже - то или иное на них воздействие. Или, иными словами, имеем на этот счет корректную модель. Надо ли говорить, что мы ее не имеем?... Да, все эти «мелочи» взаимоотношений, которые в высоких кабинетах раздраженно рекомендуют утрясать «в рабочем порядке», в сколько-нибудь цивилизованном обществе приобретают масштабы, о которых, судя по всему, и не подозревают желающие подержаться за рычаги управления государством...
Так что, разделив общество на «пастухов» (управляющих) и «баранов» (прочее население), приняв это разделение за естественную норму, мы не могли не стать на путь деградации: «пастухи» перед лицом настоящих проблем должны были оказаться и оказались «баранами». Что же касается проблем, о которых мы здесь говорим, то они примечательны лишь тем, что в них просматривается сама процедура деградации вида Homo sapiens** самозванца, как выясняется...
*) Кюри (Си) диница радиоактивности. В источнике, имеющем радиоактивность 1 кюри, ежесекундно распадается 3,7-1010 атомов с выделением некоторого числа ионизирующих частиц и у-квантов в каждом элементарном распаде.
**) Человек разумный (лат.)
Рис. 154. Характеристика линейности технорецептора
12. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий.
Радио и связь
Щедрин А. И., Осипов И. Н.
Металлоискатели для поиска кладов и реликвий.
 |
|
Введение
ВВЕДЕНИЕ
"Да не ми-но-и-ска-тель это!!! Не хотим мы мины искать!"
Крик души.
Исторически сложилось, что в нашей стране такие интересные с точки зрения электроники устройства, как металлоискатели, практически всегда оставались в тени. Специальной литературы по металлоискателям, доступной читателю, практически нет. Это неудивительно - "серьезные" применения металлоискателей (см. [1], [2]) всегда были ограждены от простого читателя всевозможными грифами, а "несерьезные" считались идеологически ущербными и просто не публиковались.
Данная книга посвящена как раз "несерьезным" применениям электронных металлоискателей - поиску кладов, военных и исторических реликвий. Кстати, сам процесс поиска кладов раньше также не мог найти подробного отражения в технической и научно-популярной литературе, так как в нем усматривалась пропаганда нетрудового (!) обогащения.
Мысль изложить накопленный материал в виде книги пришла одному из авторов - Щедрину А. И. после многолетних экспериментов с собственными металлоискателями. Подробное изучение технических решений зарубежных фирм (например, [3]), открыло всю сложность возникающих проблем и неограниченный простор для творчества. Беседы со многими энтузиастами показали, что скольконибудь серьезными техническими познаниями по данной тематике обладает очень узкий круг людей, а интерес к практической информации по данной тематике (и не только технической!) - очень велик.
Металлоискатели как хобби Щедрина А. И. удачно совпали с его профессиональной подготовкой инженера по разработке электронных схем, что обеспечило должный уровень конструкций. За годы изучения данного вопроса накопился значительный материал, который остался невостребованным. Удачные технические решения принесли разработчику большое удовлетворение, и натолкнули его на нестандартную для нашего времени мысль поделиться ими со всеми желающими.
В результате, первое издание книги, вышедшее в мае 1998 года, дало не только целую волну откликов от читателей, но и собрало группу единомышленников, среди которых оказался Осипов И. Н., внесший свой вклад в книгу, которую вы сейчас читаете.
По мнению обоих авторов, большинство технической литературы в настоящее время относится, скорее к документации - будь то литература по программному обеспечению или по ремонту бытовой техники или компьютеров. Иными словами, это только констатация фактов, которая не несет принципиально новых знаний. Безусловно, такая литература может научить самым тонким секретам мастерства, но это - лишь мастерство ремесленников.
Авторы призывают отечественных книгоиздателей (на бюрократические структуры, которым по долгу службы следовало бы заниматься подобными вопросами, надежды мало) последовать своему примеру и уделить внимание такой литературе, которая способствовала бы развитию технического творчества, развитию отечественной науки и техники, а не только компьютеризации офисов. В противном случае, уже через двадцать лет у нас Просто не будет собственных технологий. Невозможно представить себе авиаконструктора, который бы в детстве не сделал ни одной модели планера и не читал бы книжек «сделай сам», а ограничивался бы только инструкциями к пишущим машинкам!
Предлагаемая Вашему вниманию книга является, во-первых, пособием для начинающего кладоискателя - она не только адресует читателя к описаниям несметных сокровищ [4]-[15], но содержит целый ряд полезных практических рекомендаций по их поиску. Книга затрагивает целый спектр возникающих при этом проблем, в том числе юридических и связанных с вопросами безопасности.
Во-вторых, книга является пособием для любителей, увлеченных конструированием электронной аппаратуры. Все описанные конструкции опробованы на практике и могут быть рекомендованы к повторению в условиях домашней лаборатории.
В-третьих, книга может быть полезна студентам институтов и колледжей с углубленным изучением физики.
Книга состоит из восьми глав. Первая глава - обзорная и содержит краткую историческую справку. Вторая глава - это руководство к действию для начинающих кладоискателей. Третья глава содержит классификацию приборов, используемых для поиска кладов, военных и исторических реликвий, по принципу действия. Наиболее часто используемые типы электронных металлоискателей рассмотрены подробно - приведены теоретические сведения, рассмотрены преимущества и недостатки.
Четвертая глава содержит ответ на важный с точки зрения практики вопрос о том, какой металлоискатель лучше. Естественно, этот ответ содержит только точку зрения авторов. Однако, эта точка зрения подкрепляется изложенными в предыдущей главе теоретическими соображениями и многолетним опытом; В пятойглаве содержится информация о реальных возможностях металлоискателей, которая будет особенно полезна неискушенным новичкам. Эта глава разрушает часто возникающие заблуждения и иллюзии. Шестая глава знакомит с описанием принципиальных схем и конструкций металлоискателей, разработанных Щедриным А. И.
В заключительнойседьмойглаве изложены идеи о перспективах развития электронных металлоискателей, представляющие по мнению авторов определенный интерес и предлагаемых читателям для дальнейшего самостоятельного развития.
Первая и вторая главы написаны Осиповым И. В., главы с третьей по седьмую написаны Щедриным А. И.
Щедрин А. И.
Автор выражает глубокую благодарность своим школьным учителям - Атемасовой Нине Григорьевне, Бугаковой Ларисе Васильевне, Проханову Олегу Алексеевичу за воспитание уверенности в истинной ценности знаний.
Автор выражает глубокую благодарность своему институтскому учителю - доценту кафедры Электроники МИФИ Плешко Анатолию Дмитриевичу.
Автор выражает глубокую благодарность жене Марине и сыну Антону за поддержку и терпение.
Автор выражает глубокую благодарность всем российским и зарубежным читателям, откликнувшимся на первое издание книги и сделавшим второе издание более подробным и точным.
Осипов И. Н.
Автор выражает глубокую благодарность соратникам по поискам Булгаку Льву Васильевичу и Степанову Алексею Николаевичу за поддержу и ценные советы при написании настоящей книги.
Автор выражает глубокую благодарность жене Анне, сыну Даниилу и дочери Таисии, не только с пониманием относящимся к моим "кладоискательским" увлечениям, но и всегда сопровождающим меня в полевых выездах.
1. Применение металлоискателей в различных областях деятельности человека
1. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЕЙ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
В 20-е годы в США были разработаны приборы, обнаруживающие инструменты и готовые изделия, выносимые рабочими с заводов. Приборы назывались металлодетекторы (metal detector дословно - металлообнаружитель). Металлодетекторами или, по-русски, "металлоискателями" заинтересовались военные. Во время Второй мировой войны быстро развивалась техника обнаружения металлов, и было разработано специальное оборудование для поиска мин. После войны оно дешево распродавалось в США, и многие люди быстро оценили возможности миноискателей при поиске зарытых сокровищ и золотых самородков.
Послевоенные металлоискатели работали на вакуумных лампах, были громоздки и потребляли много энергии. Лишь в середине 60-х годов были созданы малогабаритные, стабильные и чувствительные приборы, которые могли различать металлы и позволяли отстраиваться от влияния окружающей среды.
С каждым годом расширяется область использования металлоискателей в самых различных сферах.
Для военных метоллоискатель - это прежде всего миноискатель. Здесь не требуется способность прибора различать металлы. До недавнего времени не требовалась и высокая чувствительность, однако с появлением пластиковых мин ситуация изменилась: в пластиковой или керамической мине осталась одна незаменимая металлическая деталь - маленькая пружина во взрывателе. Обнаружить ее способен только высокочувствительный прибор. Как ни удивительно, у нас пока еще засекречены технические разработки на приборы времен Великой Отечественной войны, хотя в Московских магазинах свободно продается современная американская техника. Российская армия до недавних пор обходилась только отечественными миноискателями (прибор ИМП-1). В последнее время, по разным причинам, миноискателей собственного производства стало резко не хватать, и в телевизионных репортажах из горячих точек бывшего Союза то и дело мелькают наши солдаты с американскими приборами в руках.
В охранных структурах и криминалистике металлоискатель применяется сейчас шире, чем где-либо. Любой человек сталкивался с подобными приборами при входе в банк, аэропорт или ночной клуб. Прежде всего - это "ворота", при проходе через которые можно обнаружить даже незначительные металлические предметы. Бывает, в человеке после хирургической операции остается металлический объект (например титановые стержни при переломах костей). Тогда на помощь секьюрити приходит небольшой металлоискатель для личного досмотра. Им без труда и с высокой точностью локализуется подозрительный предмет. Подобными приборами обязательно оснащены подразделения внутренних войск, охраняющие места лишения свободы. На Западе террористы часто практикуют посылку писем с заложенными в них взрывчатыми устройствами, в основном - в средства массовой информации. Пытаясь защититься от этого, крупные учреждения имеют специальные приборы для проверки входящей почтовой корреспонденции.
Ни одно уважающее себя предприятие по производству пищевых продуктов (не в России), будь то кондитерская фабрика, или колбасный цех, не обходится без металлоискателя. До недавнего времени в нашей стране обнаружение в пищевых продуктах посторонних предметов грозило предприятию - изготовителю не более чем упреками в халатности и заметкой в местной газете под рубрикой "Позор бракоделам"... Сейчас это может повлечь судебное разбирательство, а в странах с более развитьми структурами потребительского рынка попадание, скажем, гвоздя в колбасу - верный путь к банкротству мясоперерабатывающего комбината (придать такой факт огласке позаботятся его конкуренты) и судебной ответственности персонала. Естественно, что лучше потратить несколько сотен долларов на прибор, чем оплачивать потом судебные издержки.
Незаменимы металлоискатели в строительстве и в процессе ремонтных работ. Подумайте, как обойтись без этого прибора, если Вам нужно составить проект реконструкции старого здания, на которое отсутствуют чертежи расположения балок и других несущих конструкций (нельзя ведь долбить памятник архитектуры где попало); а если необходимо проследить как проходит в земле трубопровод или электрический кабель (не перекапывать же все вокруг);
или просто Вы хотите просверлить электрической дрелью отверстие в стене своего дома, то незнание расположения проводки может стоить Вам жизни. Спасти Вашу жизнь или избавить от ненужной работы поможет металлоискатель.
В процессе обработки древесины, особенно поступающей из пригородных лесов, в стволах попадаются гвозди и другие металлические предметы. Избежать поломки пилы или другого оборудования можно только, проверив древесину металлоискателем. Специальная рамка, установленная перед циркулярной пилой, автоматически остановит транспортер при обнаружении металла в древесине.
При сортировке мусора на мусороперерабатывающих предприятиях возникает необходимость избавить, например, макулатуру от металлических предметов. Хорошо, если предметы - железные, и их можно удалить магнитом. Обнаружить и удалить немагнитные металлические объекты можно только индукционным металлоискателем.
При добыче полезных ископаемых, особенно самородного золота, металлоискатель просто незаменим. Многие прииски в Америке, Австралии и других странах пережили второе рождение, когда при помощи металлоискателей производительность труда старателей увеличилась в десятки раз. Российских золотодобытчиков подобная "революция" еще ждет: металлоискатели только начинают появляться на бескрайних просторах Зауралья.
Археологу металлоискатель поможет определить наиболее перспективное место для детальных раскопок, даст возможность извлечь интересные находки там, где сплошные раскопки просто невозможны по разным причинам (см. [16]-[20]).
Бок о бок с археологами работают искатели кладов и сокровищ (см. [15] и [21]) . Ни с чем нельзя сравнить радость открытия - будь то первая найденная старинная монета, потерянный столетия назад перстень, или клад древних украшений. Действительно, поиск сокровищ захватывает каждого, кто взял в руки металлоискатель. Именно при разработке оборудования для кладоискателей приборы достигли наибольшего совершенства в чувствительности и дискриминации (отсеивании нежелательных находок). Поиск потерянных людьми предметов, своего рода "домашняя археология", в Америке достиг больших размахов. Существуют клубы поисковиков, коллекционеров находок, например, пряжек от ремней или запонок. Издаются специальные журналы. За рубежом, работают десятки фирм, производящих оборудование для кладоискателей (см. например, [3] и [22]). Данная область досуга представлена и в Интернете (см. [23]-[24]).
В соответствии с назначением и кругом решаемых задач кладоискательские приборы подразделяются на ([25]):
- приборы для начинающих - дешевые приборы, ориентированные для поиска на пляжах и хорошо подходящие для приобретения начального опыта работы с металлоискателями; такие приборы обладают 1-2 органами управления и имеет чаще всего 1 режим работы - динамическую дискриминацию;
- универсальные приборы - ориентированные на решение широкого круга задач - от развлечений на пляже до серьезного поиска "сокровищ". Для работы с такими приборами требуется некоторая подготовка; приборы имеют несколько режимов работы, среди которых обязательно есть статический режим точного обнаружения;
- компьютеризированные приборы - предназначенные для подготовленных пользователей, позволяют осуществлять детальный анализ скрытых объектов по размеру, металлу и глубине; их настройка осуществляется обычно с помощью небольшой клавиатуры и ЖКИ дисплея;
- глубинные - приборы для поиска, больших объектов на большой глубине (2-6 м);
- подводные - герметичные приборы для поиска сокровищ на дне водоема.
Сейчас практически любой из рассмотренных типов приборов можно купить или заказать в России.
2. Краткий курс молодого кладоискателя
2.1. Особенности поиска
2.1. ОСОБЕННОСТИ ПОИСКА
Исторические реликвии
Прежде всего, давайте четко обозначим, что же такое реликвии. Слово это произошло от латинского reliquiae - останки, остатки. Оно определяется Энциклопедическим словарем как "предметы особо чтимые и хранимые как память о прошлом". Таким образом, практически любой предмет, даже банка из-под Кока-Колы (если она произведена в 1922 году), может стать реликвией - смотря как к ней относиться: хранить как память о прошлом или выбросить как мусор.
Если вы считаете, что найденный вами при помощи металлоискателя предмет не относится к категории мусора, то это - скорее всего реликвия. Тут сразу один совет. Не пытайтесь чистить находку ничем, кроме мягкой щетки с мыльной водой. Для удаления окислов с поверхности металла ни в коем случае не используйте кислоту или абразивные материалы. Многие начинающие искатели, и я в том числе, в начале своей искательской деятельности безвозвратно портили ценнейшие находки, подчас достойные быть музейными экспонатами.
Какие же исторические реликвии могут стать вашей добычей? Давайте по порядку.
Монеты всегда считаются одними из самых информативных археологических находок, поскольку по монете можно определить год ее выпуска и таким образом обозначить давность поселения. Монеты можно найти практически везде. Во все времена человек носил при себе деньги. И всегда часть денег бывала попросту потеряна. Пройдите по берегу реки, по старой лесной дороге, по детской площадке или просто по полю вдоль деревни - и всегда среди ваших находок будут монеты. Естественно, найти арабский дирхем или монету Рязанского княжества значительно сложнее, чем пригоршню советской мелочи. Найдя монету, не ленитесь ее определить, заглянув в соответствующий каталог. И среди обьяных, на первый взгляд, советских монет попадаются редкие и очень ценные разновидности.
Для определения монет понадобится следующая литература. Монеты периода 1917 - 1991 гг. без труда определяются по каталогу Щелокова [26]. Монеты дореволюционного периода от начала регулярной монетной чеканки при Петре I в 1700 г. до 1917 г. можно найти в каталогах Орлова [27] и Узденникова [28]. С более ранними монетами сложнее. Если монеты периода от Ивана Грозного до Петра I собраны в труде Мельниковой [29], то по монетам удельных княжеств лучшего определителя, чем вековой давности каталог Орешникова [30] пока нет. Наибольшие сложности возникают при определении Татарских монет, ходивших на Руси в период Золотоордьшского Ига и арабских дирхемов, обращавшихся до начала 11 века.. Для этих монет единых каталогов и справочников нет и нужно обратиться за помощью к специалистам нумизматам, и лучше - не с ближайшей нумизматической толкучки, а к музейным работникам.
Ювелирные изделия, как и монеты, попадаются практически везде, где в древности находились люди. Чаще всего это кольца, перстни, серьги, всевозможные подвески и нашивные бляшки. Преобладают изделия из меди и ее сплавов, реже попадаются серебряные украшения. Золотые предметы на Руси всегда отличали знатного и очень богатого человека, поэтому вероятность найти при помощи металлоискателя старинное золотое украшение практически равна нулю. Только в конце 19-20 веках золото становится более доступно, и выкопать современную золотую серьгу или обручальное кольцо вполне реально.
Нательные кресты и талисманы терялись едва ли не чаще чем. ювелирные изделия. Каждый человек на Руси носил крест и хотя бы раз в жизни терял его. Чаще рвалась шелковая нить, хотя автору попадались и кресты, у которых от многолетнего ношения было перетерто нитью ушко. Большинство нательных крестов - бронзовые, редко попадаются и серебряные. Если повезет, можно найти талисманы или, как их тогда называли, "обереги" дохристианского периода. Это миниатюрные пилы, топорики величиной 2-3 см., фигурки животных, бубенчики для отпугивания нечистой силы и т. п.
Оружие и его части оставлялись человеком как на местах битв, так и в процессе охоты. Под оружием здесь понимается холодное оружие минувших веков, а не наследство последней войны, которыми обильно усеяна земля в местах боев. Прежде всего, встречаются наконечники стрел. Это, пожалуй, самая массовая находка. Наконечники копий и топоры более редки. Несбыточной мечтой собирателя реликвий является меч. Находка меча почти невозможна, поскольку меч в древности был великокняжеским оружием и потеря его на поле боя, как наконечника стрелы или копья, практически исключена.
Бытовые предметы можно найти самые разнообразные. Это пряжки, пуговицы, ножи, ножницы, детали конской упряжи, сельскохозяйственные орудия. Нередко очень трудно определить предназначение той или иной находки. Один знакомый долгое время бился над загадкой маленького бронзового предмета наподобие ложечки. Вещь явно древняя, но область применения ее с первого взгляда не определялась. После длительных поисков в литературе и консультаций со знающими людьми выяснилось, что это "копоушка" - приспособление для чистки ушей, бытовавшее на Руси в раннем средневековье. Иногда бывает ценна не сама находка, а весь тот процесс познания, который связан с ее определением.
Нежелательные находки - то, что мы определяем как мусор, не всегда таковым являются. Один известный поисковик, которого никак нельзя назвать новичком, преуспел в собирании коллекции водочных пробок.
Здесь нужно сказать особо об алюминиевой водочной пробке. Это тот тип мусора, от которого практически невозможно защититься. Даже самый дорогой компьютеризированный прибор не может с уверенностью опознать водочную пробку, поскольку, она каждый раз может быть порвана или смята по-разному. Диапазон сигналов от водочных пробок включает и мелкие ювелирные изделия, и некоторые монеты, и массу других ценных находок. Чтобы их не пропустить, приходится выкапывать и все пробки от водки.
И еще один совет. Найдя "нежелательную находку" никогда не выбрасывайте ее в зоне поисков, чтобы не натыкаться на нее вторично. Не поленитесь собирать мусор, и выбросить его в стороне от места поисков.
Клады
Как гласит фольклор поисковиков: "Чтобы найти клад, нужно точно знать, где он зарыт". Как не смешно это звучит, но это так. Поиски клада по принципу "от забора и-до обеда" успеха не принесут. Здесь главное - информация, наводка, подсказка. Это может быть народная легенда, старая карта, семейное предание или просто собственная интуиция и сопоставление исторических событий. И металлоискатель здесь играет, хотя и важную, но второстепенную роль. Итак, где же искать клад?
Прямая информация - наиболее точно указывает путь к возможному кладу. Обычно это относится к кладам не старше 200 лет, и чаще всего речь идет о кладах революционных лет периода 1916 - 1930-х годов. В этот срок включен как последний предреволюционный год, когда самые догадливые уже прикалывали домашнее золото, и продолжается с небольшими перерывами до момента "уничтожения кулачества как класса", когда выселяемому в 24 часа ничего не оставалось, как спрятать ценные вещи в подвале или на чердаке собственного дома. В дальнейшем, после 1935 года кладов почти не зарывали - прятать уже было нечего.
Носители подобной информации очень часто обращаются в специализированные фирмы с просьбой помочь отыскать сокровища деда или прадеда. Мы всегда рады помочь людям вновь обрести семейные ценности. Такие поиски почти всегда заканчиваются успешно. Один раз в кладе, помимо фамильных драгоценностей, находились документы, подтверждающие дворянское происхождение рода и аккуратно завернутый в тряпочку, смазанный револьвер. И то и другое в начале 20-х годов хранить дома было небезопасно. Правда, иногда ценность клада оказывается намного ниже усилий, потраченных на его поиск. Как-то в кладе, представлявшем из себя небольшую железную коробочку, находилось 12 Николаевских полтинников и медаль Русско-Японской войны, хотя в семейном предании фигурировал как минимум горшок с золотом.
Косвенная информация и интуиция поисковика не судят стопроцентного успеха, но могут осчастливить наиболее сообразительного искателя. Как издавна говорится на Руси: "Клады сыскиваются головой, а не лопатой". Многострадальная история нашего государства изобиловала войнами и внутренними катаклизмами. Татарские набеги сменялись опричниной, за войнами и революциями следовали притеснения государственных чиновников. Во все эти тяжелые периоды люди были озабочены мыслью, как уберечь свою жизнь и ценные вещи. С жизнью все понятно, а куда могли прятать богатство в трудную минуту?
Во-первых - в доме, в его самых труднодоступных местах - на чердаке и в подполе. Во-вторых - в саду, как правило - в углах под столбами забора или под самыми толстыми деревьями. Так, один знакомый нашел клад в дупле старой груши. Будучи положен в дупло, мешочек с монетами через некоторое время провалился в полость гнилой сердцевины ствола. Только металлоискатель смог опознать наличие в стволе монет. Часто клады зарывались на торговых путях, по берегам рек, опять же в приметных местах, на холмах, под большими камнями и т. п.
Таким образом, призвав на помощь все свое воображение, попробуйте представить, где люди могли бы зарыть клад в минуту опасности. Затем, вооружитесь металлоискателем и вперед - на поиски!
Примерно по этим принципам ведется сейчас поиск "клада Степана Разина", "клада разбойничьего атамана Тяпки", "золотой кареты Наполеона", "клада Колчака" и многих других громких кладов, существование которых не дает спокойно спать искателям.
Оружие и военные реликвии
Говорят, что идея "Пикника на обочине" братьев Стругацких была навеяна весьма нефантастическими реалиями. До 1968 года в лесах под Ленинградом стояла военная техника, валялись снаряды и оружие. А огромные заминированные территории со времен войны были огорожены колючей проволокой, и соваться туда за весьма определенной добычей решались лишь самые смелые и отчаянные. Да и под Минском буквально до начала семидесятых можно было найти не только неразорвавшуюся гранату, оружие или снаряды, но и сохранившийся в приличном состоянии танк (см. [31]). Потом технику увезли, леса разминировали, а от всей этой экзотики остались лишь поисковики - следопыты, которые ходят искать в известные только им места.
Представьте себе, что будет с винтовкой, если она пролежит сорок пять лет в земле? Скорее всего, она превратится в ржавый хлам, который, сохранит лишь форму. Хотя, это - смотря где пролежит.
Если начинающий следопыт отправляется на поиски, он чаще всего мечтает найти исправное оружие. Через это прошли все, когда-либо причислявшие себя к копателям военных реликвий. Пройдя через радость обладания настоящим, подлинньм боевьм вооружением, искатели обнаружили, что на просторах отчизны прямо под ногами лежат вещи, добывать которые менее опасно, но более выгодно. Таким образом, все следопыты разделились примерно на три категории: красные, черные и белые.
Красные следопыты - школьники или энтузиасты с потревоженной совестью, буквально понявшие слова о том, что война не закончена, пока не похоронен последний солдат. Иногда они работают не столько ради цели, сколько ради процесса, имеющего воспитательное значение. Удивительно, но они до сих пор существуют.
Черные следопыты, в худшей своей ипостаси, - мародеры, которые занимаются в основном раскопками кладбищ. В лучшем случае - поисковики-профессионалы, которые хорошо знают, что из найденного можно выгодно продать.
Белые следопыты считают себя профессионалами, которым лес может дать что-то для установления исторической правды. Они сотрудничают с аналогичными международными организациями, например, с Международным Красным Крестом или западными музеями военной техники.
В теории это деление - четкое. В реальной же жизни все они перемешаны, и большинство следопытов становятся серыми. Они имеют свое представление о добре и зле и при этом не прочь поторговать своими трофеями. Деление на цвета условно: красные со временем могут легко стать черными. Слишком разными путями люди попадают на места боев. И слишком часто, отправляясь на поиск, следопыт не может предположить, чем же он увенчается и что станет добычей: солдатский жетон, закопанный чайный сервиз или штык-нож, и в какой цвет - белый или черный - окрасит его самого будущий трофей.
Территории, доставшиеся Советскому Союзу в результате Второй мировой войны, традиционно привлекали следопытов всех мастей, здесь поиск военной техники считался особенно привлекательным. Например, один поисковик рассказывал, что кое-где на Курильских островах до сих пор стоят японские самолеты и есть аэродромы с металлическим покрытием, под которым были размещены система отопления и подземные сооружения.
Много тайн последней войны предстоит еще открыть человеку с металлоискателем.
Поиск на пляже
В России эти виды поиска пока не очень распространены по нескольким причинам. Во-первых, на поверхности земли нетронутых мест для поиска еще предостаточно. Во-вторых, наша средняя российская женщина свои золотые украшения, как правило, бережет и в пруд или море по чем зря с ними не залезает. В-третьих, у берегов нашего государства не часто случалось тонуть галеонам с золотом. Так что, придется составить впечатление о поиске около воды и в воде по зарубежным источникам.
В разгар сезона на пляжах Нью-Йорка этих людей почти не видно: одетые в комбинезоны с двумя десятками карманов и вооруженные металлоискателями, они изредка проходят где-то вдали от кромки прибоя - так, на всякий случай, а затем все так же тихо удаляются. Но вот наступает вечер. Пусто становится на берегу, и к отмели устремляются десятки искателей сокровищ.
Пиком добычи считается период с сентября по октябрь. Особенно, если гуляют шторма, бури, ураганы. Лучшими «спонсорами» по праву считаются пожилые русские дамы, отдыхающие на Брайтон-Бич. Они то и дело теряют кольца и серьги с настоящими, чистой воды бриллиантами. Такие камни отыщешь разве что в самых престижных магазинах Америки. На соседних пляжах - Манхэттен-Бич и Кони-Айленд веселится по большей части молодежь. Здесь всегда можно найти кучу украшений, но подешевле - золотые браслеты «недельки», модные изделия современных дизайнеров, очки от «Пикассо» с металлической оправой (другие детектор просто «не уловит»). Массивные цепи и перстни оставляют, соответственно, на Орчерд - Бич и в Сигейте кубинцы и итальянцы. Есть и находки, которые приходится сдавать в полицию. Это оружие. Не те первые винчестеры, которыми пользовались участники гражданской войны, а самые современные пистолеты, явно заброшенные в море преступниками, заметающими следы.
Лига нью-йоркских охотников за сокровищами была образована в 1971 году. Пляжи уже тогда «обыскивала» добрая дюжина отменных искателей. Рано или поздно они должны были объединиться. Хотя бы для того, чтобы знать, какой участок уже «обработан» и где сегодня промышляет коллега.
Охотники за сокровищами стараются держать в тайне свои излюбленные места. Находит лишь тот, кто ищет. И для этого мало вооружиться металлоискателем - нужны знания и, главное, опыт.
2.2. Что делать со зрителями?
2.2. ЧТО ДЕЛАТЬ СО ЗРИТЕЛЯМИ?
Вопрос, вынесенный в заголовок этого раздела, каждый решает в меру своей коммуникабельности и актерских способностей. Прежде всего нужно решить, полезен зритель при поиске или вреден. Однозначного ответа нет. Зритель полезен, видимо, тогда, когда проявляет искренний интерес и любознательность к процессу или вам лично. А вот если интерес только к количеству золота, которое вы нашли за сегодняшний день, то нужно освежить в памяти раздел "вопросы безопасности". Сориентироваться на месте вам поможет личный жизненный опыт и приведенные ниже поучительные истории из практики моих знакомых.
Вадим Д., мой приятель, страстный поклонник поиска на пляжах, в парках и других общественных местах приспособился извлекать из зрителей материальную выгоду. Всем зрителям он подробно объяснял: что, зачем, и как ищет. Ну и конечно, о том, как он поправил свое материальное положение. Народ у нас любопытный. Прибор металлоискатель многие видят впервые. Естественно, кому-то хочется купить подобный прибор. Таких людей мой приятель налаживал в фирму «Родонит», где за приведенного покупателя получал определенный процент от суммы покупки.
Алексей Р. рассказывал, как случилось ему однажды искать под Подольском на берегу речки Протвы, вблизи небольшой деревеньки. Невдалеке бабка пасла козу. Подошла с вопросом: "Когда же мост через речку начнут строить?" Приятель пробормотал что-то невразумительное и бабка отстала. Но не прошло и получаса, как собралось полдеревни. Вопрос один: "Когда мост начнут строить?" Как не разубеждал их Алексей, что не строитель он, что ищет потерянные монеты и клады, - ничего не помогало. Народ был в полной уверенности, что основная его задача - разведка места под строительство нового моста. Алексея оставили в покое только после того, как он дал клятвенное обещание ускорить строительство всеми силами.
Однако, эти примеры - скорее исключение. Наибольшее число "встреч со зрителями" приходится на обычных жителей деревенской глубинки, пастухов и огородников, которые впервые видят металлоискатель и только самые смышленые догадываются что "это прибор для поиска мин". С ними общаться проще всего. Прикиньтесь человеком от науки: почвоведом, радиометристом, геологом, и т. д. Главное - со знанием дела заявить, что здесь, в этой местности обстановка нормальная, радиации нет и огурцами с огорода можно закусывать безбоязненно. Нагруженный подобной информацией зритель радостно убегает поделиться ею с соседом, а вы спокойно продолжаете заниматься любимым делом.
Если деревенские зрители маленькие, лет до 15-ти, то тут напротив, лучше рассказать поправдоподобнее - какие и когда здесь жили люди, и что после них можно найти. Любознательный ребенок после этого может целый день носить за вами лопату и помогать в процессе раскопок. Простая монета века восемнадцатого, подаренная ему в благодарность за помощь, не обеднит вас, а мальчишка будет хранить ее как реликвию и вспоминать "дядю археолога" добрым словом. Пустяк, а приятно.
2.2. Что делать со зрителями?
2.2. ЧТО ДЕЛАТЬ СО ЗРИТЕЛЯМИ?
Вопрос, вынесенный в заголовок этого раздела, каждый решает в меру своей коммуникабельности и актерских способностей. Прежде всего нужно решить, полезен зритель при поиске или вреден. Однозначного ответа нет. Зритель полезен, видимо, тогда, когда проявляет искренний интерес и любознательность к процессу или вам лично. А вот если интерес только к количеству золота, которое вы нашли за сегодняшний день, то нужно освежить в памяти раздел "вопросы безопасности". Сориентироваться на месте вам поможет личный жизненный опыт и приведенные ниже поучительные истории из практики моих знакомых.
Вадим Д., мой приятель, страстный поклонник поиска на пляжах, в парках и других общественных местах приспособился извлекать из зрителей материальную выгоду. Всем зрителям он подробно объяснял: что, зачем, и как ищет. Ну и конечно, о том, как он поправил свое материальное положение. Народ у нас любопытный. Прибор металлоискатель многие видят впервые. Естественно, кому-то хочется купить подобный прибор. Таких людей мой приятель налаживал в фирму «Родонит», где за приведенного покупателя получал определенный процент от суммы покупки.
Алексей Р. рассказывал, как случилось ему однажды искать под Подольском на берегу речки Протвы, вблизи небольшой деревеньки. Невдалеке бабка пасла козу. Подошла с вопросом: "Когда же мост через речку начнут строить?" Приятель пробормотал что-то невразумительное и бабка отстала. Но не прошло и получаса, как собралось полдеревни. Вопрос один: "Когда мост начнут строить?" Как не разубеждал их Алексей, что не строитель он, что ищет потерянные монеты и клады, - ничего не помогало. Народ был в полной уверенности, что основная его задача - разведка места под строительство нового моста. Алексея оставили в покое только после того, как он дал клятвенное обещание ускорить строительство всеми силами.
Однако, эти примеры - скорее исключение. Наибольшее число "встреч со зрителями" приходится на обычных жителей деревенской глубинки, пастухов и огородников, которые впервые видят металлоискатель и только самые смышленые догадываются что "это прибор для поиска мин". С ними общаться проще всего. Прикиньтесь человеком от науки: почвоведом, радиометристом, геологом, и т. д. Главное - со знанием дела заявить, что здесь, в этой местности обстановка нормальная, радиации нет и огурцами с огорода можно закусывать безбоязненно. Нагруженный подобной информацией зритель радостно убегает поделиться ею с соседом, а вы спокойно продолжаете заниматься любимым делом.
Если деревенские зрители маленькие, лет до 15-ти, то тут напротив, лучше рассказать поправдоподобнее - какие и когда здесь жили люди, и что после них можно найти. Любознательный ребенок после этого может целый день носить за вами лопату и помогать в процессе раскопок. Простая монета века восемнадцатого, подаренная ему в благодарность за помощь, не обеднит вас, а мальчишка будет хранить ее как реликвию и вспоминать "дядю археолога" добрым словом. Пустяк, а приятно.
2.2. Что делать со зрителями?
2.2. ЧТО ДЕЛАТЬ СО ЗРИТЕЛЯМИ?
Вопрос, вынесенный в заголовок этого раздела, каждый решает в меру своей коммуникабельности и актерских способностей. Прежде всего нужно решить, полезен зритель при поиске или вреден. Однозначного ответа нет. Зритель полезен, видимо, тогда, когда проявляет искренний интерес и любознательность к процессу или вам лично. А вот если интерес только к количеству золота, которое вы нашли за сегодняшний день, то нужно освежить в памяти раздел "вопросы безопасности". Сориентироваться на месте вам поможет личный жизненный опыт и приведенные ниже поучительные истории из практики моих знакомых.
Вадим Д., мой приятель, страстный поклонник поиска на пляжах, в парках и других общественных местах приспособился извлекать из зрителей материальную выгоду. Всем зрителям он подробно объяснял: что, зачем, и как ищет. Ну и конечно, о том, как он поправил свое материальное положение. Народ у нас любопытный. Прибор металлоискатель многие видят впервые. Естественно, кому-то хочется купить подобный прибор. Таких людей мой приятель налаживал в фирму «Родонит», где за приведенного покупателя получал определенный процент от суммы покупки.
Алексей Р. рассказывал, как случилось ему однажды искать под Подольском на берегу речки Протвы, вблизи небольшой деревеньки. Невдалеке бабка пасла козу. Подошла с вопросом: "Когда же мост через речку начнут строить?" Приятель пробормотал что-то невразумительное и бабка отстала. Но не прошло и получаса, как собралось полдеревни. Вопрос один: "Когда мост начнут строить?" Как не разубеждал их Алексей, что не строитель он, что ищет потерянные монеты и клады, - ничего не помогало. Народ был в полной уверенности, что основная его задача - разведка места под строительство нового моста. Алексея оставили в покое только после того, как он дал клятвенное обещание ускорить строительство всеми силами.
Однако, эти примеры - скорее исключение. Наибольшее число "встреч со зрителями" приходится на обычных жителей деревенской глубинки, пастухов и огородников, которые впервые видят металлоискатель и только самые смышленые догадываются что "это прибор для поиска мин". С ними общаться проще всего. Прикиньтесь человеком от науки: почвоведом, радиометристом, геологом, и т. д. Главное - со знанием дела заявить, что здесь, в этой местности обстановка нормальная, радиации нет и огурцами с огорода можно закусывать безбоязненно. Нагруженный подобной информацией зритель радостно убегает поделиться ею с соседом, а вы спокойно продолжаете заниматься любимым делом.
Если деревенские зрители маленькие, лет до 15-ти, то тут напротив, лучше рассказать поправдоподобнее - какие и когда здесь жили люди, и что после них можно найти. Любознательный ребенок после этого может целый день носить за вами лопату и помогать в процессе раскопок. Простая монета века восемнадцатого, подаренная ему в благодарность за помощь, не обеднит вас, а мальчишка будет хранить ее как реликвию и вспоминать "дядю археолога" добрым словом. Пустяк, а приятно.
2.3. Вопросы безопасности
2.3. ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Для многих кладоискательство - хобби, им важен не результат, а сам процесс. Одному нравится сидеть с удочкой на берегу реки, другому бродить по лесу с металлоискателем. По словам некоторых поисковиков, кладоискательство это заразная болезнь - найдя что-то один раз, будешь рыться в земле долгие годы. Летом покопаться в земле люди едут целыми семьями - с детьми, собаками и женами.
Однако многие ищут клады в одиночку, поскольку еще неизвестно, как поведет себя твой напарник, когда лопата в земле звякнет о что-то твердое. Пока ищешь - ты всего лишь обыкновенный человек, который копается в земле. Но если нашел - то тут уже может начаться и "золотая лихорадка", и криминал.
Кладоискательские команды складываются годами - очень непросто подобрать товарищей по увлечению, которым будешь доверять больше, чем себе. Вот почему немало людей отправляются искать клад в полном одиночестве. И не забывают прихватить с собой оружие. Ну, хотя бы газовый пистолет. Так, - на всякий случай...
Автору не известно достоверных случаев нападений на кладоискателей в процессе полевых работ. Единственное, с чем можно столкнуться, да и то довольно редко - это неприязнь отдельных граждан, которая хорошо выражается словами из песни В. С. Высоцкого "Я в Москве с киркой уран найду, при такой повышенной зарплате" и "У них денег - куры не клюют, а у нас - на водку не хватает".
Если спокойно ' вдуматься, конечно - должно быть обидно: мужик многие годы пашет на тракторе поле, и заработал при этом примерно столько же, сколько и приезжий москвич, пробегавший по этому полю несколько дней с металлоискателем. Поэтому, чтобы не попасть в неловкую, а иногда и просто опасную ситуацию, остерегайтесь в разговорах заявлений типа: "... в тот день я накопал долларов на сто " и вообще - материальной стороны дела.
Даже если это для вас существенно, совсем необязательно посвящать в эти проблемы окружающих. Богатое воображение слушателя может живо пририсовать к найденной Вам медной монете еще горшок с золотыми монетами, и особого расположения вам тогда не добиться. Ведь, как всегда, за кадром остаются сотни часов работы в библиотеках и архивах, хождение с металлоискателем под дождем или палящим солнцем и мозоли от лопаты.
2.4. Юридические аспекты поисков
2.4. ЮРИДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОИСКОВ
Проблема взаимоотношения с законом волнует человека с металлоискателем не меньше, чем проблема безопасности при поисковых работах. Чаще всего решается она предельно просто: кладоискатель молчит обо всем, что связано с кладами или ограничивается общими фразами. Завеса тайны приоткрывается только для "товарищей по работе" и домашних. Если вы читаете в газете интервью с "известным кладоискателем", то скорее всего, это начинающий любитель, которого тянет поделиться собственным энтузиазмом с кем угодно. То есть, пока ты ничего не нашел, все нормально: в глазах окружающих ты что то среднее между тихим сумасшедшим и одержимым ученым. Но стоит найти клад - всё мигом меняется и твоя персона становиться безумно интересна всем представителям власти как легальной, так и теневой. И те, и другие очень любят прибрать к рукам все, что плохо лежит. А тут такой случай: человек клад нашел. И такая популярность почему-то совсем не радует. Поэтому немало людей отправляются искать клад в полном одиночестве.
Естественно, что человек с металлоискателем появился на просторах нашей Родины недавно, и законодательная база не была готова к его приходу. Другое дело - охотники или рыболовы, для которых законы писались еще сто лет назад. Однако, кое-какие законы и для нас найдутся.
Никаких федеральных законодательных ограничений на использование металлоискателей для поиска сокровищ сейчас на территории России не существует. Тем не менее, Вы должны знать все местные законы, касающиеся использования металлоискателя, действующие там, где вы собираетесь работать с прибором. Эти законы могут различаться в районе, области, автономии. Не нарушайте их, относитесь с уважением к частной или общественной собственности на землю.
Интересно, что во все времена возникала проблема: как делить найденный клад. В Древнем Риме до хрипоты спорили о том, принадлежит клад тому, кто его нашел, или тому, на чьей земле была сделана находка. В средневековье судьбу клада и самого кладоискателя решало то, самостоятельно ли было найдено сокровище или же с помощью злых духов. В царской России по этому поводу уже не спорили:если клад найден на твоей земле - он твой, а если на государственной - будь добр отдать его в казну. В Советском Союзе 25% от оценочной комиссии клада получал тот, кто его нашел, а все остальное шло в доход державе.
Давайте же вместе проанализируем, в каком правовом поле действует человек с металлоискателем в современной России. Вначале нужно уяснить, что мы выкапываем - либо это находка, либо клад. Отличие простое: клад это сразу и много, спрятано всерьез и надолго, а находка - это одна вещь, чаще всего в верхнем слое почвы, потерянная, а не спрятанная, хотя может быть ценнее иного клада. В зависимости от того, что вы выкопали - клад или находку, поступать с ними следует по-разному.
ГРАЖДАНСКИЙ КОДЕКС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
(с дополнением на 12 августа 1996 года)
Принят Государственной Думой 21 октября 1994 года
Текст документа с дополнением, внесенным:
Федеральным законом от 20 февраля 1996 года N 18-Ф3#S
(Собрание законодательства РФ N 9, 26 февраля 1996 года, ст.773);
Федеральным законом от 12 августа 1996 года N 111-ФЗ#S
(Собрание законодательства РФ, N34, 19 августа 1996 года, ст.4026).
Статья 227. Находка
1. Нашедший потерянную вещь обязан немедленно уведомить об этом лицо, потерявшее ее, или собственника вещи или кого-либо другого из известных ему лиц, имеющих право получить ее, и возвратить найденную вещь этому лицу ......
2. Если лицо, имеющее право потребовать возврата найденной вещи, или место его пребывания неизвестны, нашедший вещь обязан заявить о находке в милицию или в орган местного самоуправления.
Статья 228. Приобретение права собственности на находку
1. Если в течение шести месяцев с момента заявления о находке в милицию или в орган местного самоуправления лицо, управомоченное получить найденную вещь, не будет установлено или само не заявит о своем праве на вещь нашедшему ее лицу либо в милицию или в орган местного самоуправления, нашедший вещь приобретает право собственности на нее.
Иными словами, нашли вы, к примеру, шлем Дмитрия Донского, потерянный им на Куликовом поле (а вдруг?!) Заявили об этом в милицию, как положено. Прошло шесть месяцев, и если Дмитрий Донской за шлемом не явится - шлем ваш. По закону так выходит. В гражданском кодексе не сказано, когда вещь потеряна, вчера или шестьсот лет назад.
Иное дело клад - тут в гражданском кодексе более подробные формулировки.
Статья 233. Клад
1. Клад, то есть зарытые в земле или сокрытые иным способом деньги или ценные предметы, собственник которых не может быть установлен либо в силу закона утратил на них право, поступает в собственность лица, которому принадлежит имущество (земельный участок, строение и т.п.), где клад был сокрыт, и лица, обнаружившего клад, в равных долях, если соглашением между ними не установлено иное. При обнаружении клада лицом, производившим раскопки или поиск ценностей без согласия на это собственника земельного участка или иного имущества, где клад был сокрыт, клад подлежит передаче собственнику земельного участка или иного имущества, где был обнаружен клад.
2. В случае обнаружения клада, содержащего вещи, относящиеся к памятникам истории или культуры, они подлежат передаче в государственную собственность. При этом собственник земельного участка или иного имущества, где клад был сокрыт, и лицо, обнаружившее клад, имеют право на получение вместе вознаграждения в размере пятидесяти процентов стоимости клада. Вознаграждение распределяется между этими лицами в равных долях, если соглашением между ними не установлено иное. При обнаружении такого клада лицом, производившим раскопки или поиски ценностей без согласия собственника имущества, где клад был сокрыт, вознаграждение этому лицу не выплачивается и полностью поступает собственнику.
3. Правила настоящей статьи не применяются к лицам, в круг трудовых или служебных обязанностей которых входило проведение раскопок и поиска, направленных на обнаружение клада.
Здесь вроде бы все понятной Главное не ссориться с собственником земли, на которой вы ищете, а лучше с ним вообще не встречаться.
Но это еще не все. В процессе поисков вы нарушаете неприкосновенность почвы, в которой лежат находки, а оказывается это разрешено далеко не везде. Категорически запрещено портить подобньм образом памятники истории культуры. Что же под ними понимается?
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН
Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации (проект)
Статья 3. Объекты культурного наследия (памятники истории и культуры) народов Российской Федерации
1. К объектам культурного наследия (памятникам истории и культуры) народов Российской Федерации относятся:
единичные памятники:....... структуры археологического характера, в том числе частично или полностью зарытые в земле или под водой....... которые имеют ценность с точки зрения истории, искусства или науки;
ансамбли: ....... единство или связь с пейзажем которых представляют ценность с археологической, ....... точки зрения, в том числе археологические или палеонтологические объекты; исторические центры поселений, фрагменты исторических планировок и застроек поселений.
достопримечательные места: ..........культурные слои, остатки построек древних городов, городищ, селищ, стоянок, жилищ, объектов фортификационного назначения, религиозного назначения - храмов, церквей, монастырей, кулътовых комплексов; святые места и места совершения обрядов.
исторические поселения: города и населенные места, облик которых (планировка, силуэт застройки, памятники, связь с ландшафтом и другие характеристики) пред- ставляют собой ценность в археологической, архитектурной, исторической, эстетической или социально-культурной точек зрения.
Вот здесь кроется гораздо большая неприятность для кладоискателя, чем в вопросе дележа клада с собственником земли. Ведь большинство кладов, особенно старинных, как раз и располагаются в культурном слое исторических памятников. И если случиться быть пойманным на городище, имеющем статус памятника истории, можно на деле познакомиться с уголовным законодательством, а не хотелось бы.
УГОЛОВНЫЙ КОДЕКС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Принят: Государственной Думой 24 мая 1996 года.
Одобрен Советом Федерации 5 июня 1996 года.
Статья 243. Уничтожение или повреждение памятников истории и культуры
1. Уничтожение или повреждение памятников истории, культуры, природных комплексов или объектов, взятых под охрану государства, а также предметов или документов, имеющих историческую или культурную ценность, - наказываются штрафом в размере от двухсот до пятисот минимальных размеров оплаты труда или в размере заработной платы или иного дохода осужденного за период от двух до пяти месяцев либо лишением свободы на срок до двух лет.
2. Те же деяния, совершенные в отношении особо ценных объектов или памятников общероссийского значения, - наказываются штрафом в размере от семисот до одной тысячи минимальных размеров оплаты труда или в размере заработной платы или иного дохода осужденного за период от семи месяцев до одного года либо лишением свободы на срок до пяти лет.
Таким образом, нам остаются: пляжи, места боев последней войны, старые грунтовые дороги и те места былых поселений, которые вам удалось найти раньше археологов и которые не имеют статуса исторического памятника. Здесь можно искать безбоязненно.
Но есть и другой путь заниматься любимым поиском исторических реликвий не в ущерб, а во благо. Для этого нужно прийти в ближайший исторический (краеведческий) музей и, познакомившись с местными археологами, предложить им свои услуги. Подобная помощь добровольцев, да еще со своим прибором только приветствуется. Работая в тесном контакте с людьми науки, вы перестанете ощущать себя разрушителем исторических памятников и сможете обогатить науку новыми интересными находками.
3. Типы металлоискателей
3. ТИПЫ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЕЙ
3.1 Металлоискатель по принципу "передача-прием"
3.1 МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ ПО ПРИНЦИПУ "ПЕРЕДАЧА-ПРИЕМ"
Термины "передача-прием" и "отраженный сигнал" в различных поисковых приборах обычно ассоциируются с методами типа импульсной эхо- и радиолокации, что является источником заблуждений, когда речь заходит о металлоискателях. В отличие от различного рода локаторов, в металлоискателях рассматриваемого типа как передаваемый сигнал (излучаемый), так и принимаемый сигнал (отраженный) являются непрерывными, они существуют одновременно и совпадают по частоте.
3.1.1. Принцип действия
3.1.1. Принцип действия
Принцип действия металлоискателей типа "передача-прием" заключается в регистрации сигнала, отраженного (или, как говорят, переизлученного) металлическим предметом (мишенью), см. [32], стр.225-228. Отраженный сигнал возникает вследствие воздействия на мишень переменного магнитного поля передающей (излучающей) катушки металлоискателя. Таким образом, прибор данного типа подразумевает наличие как минимум двух катушек, одна из которых является передающей, а другая приемной.
Основная принципиальная проблема, которая решается в металлоискателях данного типа, заключается в таком выборе взаимного расположения катушек, при котором магнитное поле излучающей катушки в отсутствие посторонних металлических предметов наводит нулевой сигнал в приемной катушке (или в системе приемных катушек). Таким образом, необходимо предотвратить непосредственное воздействие излучающей катушки на приемную. Появление же вблизи катушек металлической мишени приведет к появлению сигнала в виде переменной э.д.с. в приемной катушке.
3.1.2. Схемы датчиков
3.1.2. Схемы датчиков
Поначалу может показаться, что в природе существует всего два варианта взаимного расположения катушек, при котором не происходит непосредственной передачи сигнала из одной катушки в другую (см. рис.1 а и 16) - катушки с перпендикулярными и со скрещивающимися осями.
Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датика металлоискателя по принципу "передача-прием ".
Более тщательное изучение проблемы показывает, что подобных различных систем датчиков металлоискателей может быть сколь угодно много, однако они будут содержать более сложные системы с количеством катушек больше двух, соответствующим образом включенных электрически. Например, на рис.1 в изображена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек, включенных встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой. Таким образом, сигнал на выходе системы приемных катушек в идеале равен нулю, так как наводимые в катушках э.д.с. взаимно компенсируются.
Особый интерес представляют системы датчиков с компланарными катушками (т.е. расположенными в одной плоскости). Это объясняется тем, что с помощью металлоискателей обычно проводят поиск предметов, находящихся в земле, а приблизить датчик на минимальное расстояние к поверхности земли возможно только в том случае, если его катушки компланарны. Кроме того такие датчики обычно компактны и хорошо вписываются в защитные корпуса типа "блина" или "летающей тарелки".
Основные варианты взаимного расположения компланарных катушек приведены на рис.2а и 26. В схеме на рис.2а взаимное расположение катушек выбрано таким, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную приемной катушкой, равнялся нулю. В схеме рис.26 одна из катушек (приемная) скручена в виде "восьмерки", так что суммарная э.д.с., наводимая на половинки витков приемной катушки, расположенные в одном крыле "восьмерки", компенсирует аналогичную суммарную э.д.с., наводимую в другом крыле "восьмерки".
Рис. 2. Компланарные варианты взаимного расположения катушек металлоискателя по принципу "передача-прием ".
Возможны и другие разнообразные конструкции датчиков с компланарньми катушками, например рис.2в. Приемная катушка расположена внутри излучающей. Наводимая в приемной катушке э.д.с. компенсируется специальным трансформаторным устройством, отбирающим часть сигнала излучающей катушки.
Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датика металлоискателя по принципу "передача-прием ".
Рис. 2. Компланарные варианты взаимного расположения катушек металлоискателя по принципу "передача-прием ".
3.1.3. Теоретические соображения
3.1.3. Теоретические соображения
3.1.3.1. Система катушек с перпендикулярными осями
3.1.3.1. Система катушек с перпендикулярными осями
Рассмотрим более подробно взаимодействие датчика металлоискателя с металлической мишенью на примере системы катушек с перпендикулярными осями, рис.1 а. Для простоты рассмотрим систему с катушками, продольными размерами которых можно пренебречь. Будем в дальнейшем считать, что излучающая и приемная катушки представляют собой круглые бесконечно тонкие рамки (см. рис.3). Для такой рамки вектор магнитного момента при протекании тока I имеет вид:
Рис.3. Модель излучающей катушки.
Индукция магнитного поля, создаваемого тауой рамкой на большом расстоянии г от ее центра (см. рис.4), составляет:
Рис. 4. Компоненты вектора индукции магнитного поля излучающей катушки.
полагая ,что r>>ЦS, а индексы "n" и "t" обозначают соответственно нормальную и тангенциальную составляющие вектора магнитной индукции.
Рассмотрим взаимодействие излучающей рамки, приемной рамки и объекта в случае катушек с перпендикулярными осями (см. рис.5).
Рис. 5. Взаимное расположение катушек датчика металлоискателя и объекта (мишени).
Угол между осью симметрии системы катушек и вектором индукции поля В излучающей катушки равен 2р, так как силовые линии вследствие соотношений (1.2) являются окружностями, и ввиду допущения о малых размерах катушек:
где L - так называемая база датчика металлоискателя (см. рис.5).
Рис. 3. Модель излучающей катушки - формулы
Рис. 3. Модель излучающей катушки.
Рис. 4. Компоненты вектора индукции магнитного поля излучающей катушки.
Рис. 5. Взаимное расположение катушек датчика металлоискателя и объекта (мишени).
Ф. 1.2 Индукция магнитного поля
Ф. 1.3 Определение угла между осью симметрии системы катушек и вектором индукции поля В
3.1.3.2. Отражение сигнала за счет проводимости объекта
3.1.3.2. Отражение сигнала за счет проводимости объекта
Проводящий металлический объект, размеры которого пока будем также считать небольшими, по крайней мере, не превосходящими r и r' (см. рис.5), с точки зрения переизлучения магнитного поля, можно представить в виде эквивалентной рамки с токомI*, вектор магнитного момента которой Рm* практически параллелен вектору индукции излучающей катушки В.
Величина Рm* зависит от размеров проводящего объекта, его проводимости, от индукции поля в точке расположения объекта, от частоты излучаемого поля. Индукция поля переизлучения имеет в центре приемной катушки ненулевую составляющую Во в направлении вектора нормалиns', что приводит к появлению в этой катушке э.д.с., пропорциональной указанной составляющей:
Рис. 6. К расчету магнитного момента эквивалентного шара.
Для того, чтобы вычислить магнитный момент эквивалентной рамкиРm*, необходимо взять интеграл по всему объему проводящего объекта так, чтобы просуммировать вклады всех элементарных кольцевых токов, наведенных полем излучающей катушки, в итоговую величину Рm*. Для простоты будем считать, что магнитное поле по всему объему проводящего объекта однородно, то есть он удален на значительное расстояние от излучающей катушки. Чтобы не возникало проблем с ориентацией объекта, будем пока считать, что он имеет форму однородного шара (см. рис.б). Считая, что проводящий объект удален на значительное расстояние и от приемной катушки, можно записать:
Пренебрегая явлением самоиндукции, влияние которого будет рассмотрено ниже, получаем:
Чтобы учесть явление самоиндукции, предположим для простоты, что переизлученное поле однородновнутри объекта-мишени и, исходя из величины магнитного момента (1.7), составляет:
Подставив в выражение (1.7) В -В'внутр вместо В, получим по-прежнему пропорциональную зависимость Рm* отВ, но с несколько иным коэффициентом K1:
Составляющая индукции в центре приемной катушки:
В системе декартовых координат с началом в середине базы системы катушек (см. рис.7) последнее выражение принимает вид:
Введем нормированные координаты:
Определим с точностью до знака э.д.с., наводимую в приемной катушке:
где So - площадь сечения приемной катушки, N - количество ее витков.
где S - площадь сечения излучающей катушки, I - суммарный ток всех ее витков.
В трехмерном пространстве, когда плоскость XOY не перпендикулярна плоскости приемной рамки,
Рис. 7. Система координат.
Рис.8. Ориентация объекта по крену.
Рис. 6. К расчету магнитного момента эквивалентного шара.
Рис. 7. Система координат.
Рис.8. Ориентация объекта по крену.
Ф. 1.10 Составляющая индукции в центре приемной катушки
Ф. 1.13 В системе декартовых координат с началом в середине базы системы катушек
Ф. 1.14 С нормированными координатами
Ф. 1.15 Определение индукции поля
Ф. 1.17 ЭДС наводимая в приемной катушке
Ф. 1.18 ЭДС наводимая в приемной катушке
Ф. 1.20 Определение ЭДС
Ф. 1.4 Индукция поля переизлучения
Ф. 1.5 Магнитный момент
Ф. 1.6 Магнитный момент удаленный на значительное расстояние
Ф. 1.7 Магнитный момент без учета явления самоиндукции
Ф. 1.8 Переизлученное поле однородно внутри объекта-мишени
Ф. 1.9 Магнитный момент
3.1.3.3.Отражение сигнала за счет ферромагнитных свойств объекта
3.1.3.3.Отражение сигнала за счет ферромагнитных свойств объекта
Ферромагнитный объект, размеры которого будем считать также небольшими, по крайней мере, не превосходящими r и rў (см. рис.5), с точки зрения искривления магнитного поля, можно представить в виде эквивалентной рамки с током I*, вектор магнитного момента которойРm*практически параллелен вектору индукции излучающей катушки В.
Величина Рm* зависит от размеров ферромагнитного объекта, его магнитной проницаемости, от индукции поля в точке расположения объекта. Для того, чтобы вычислить магнитный момент эквивалентной рамки Рm*, необходимо взять интеграл по всему объему ферромагнитного объекта так, чтобы просуммировать вклады всех амперовых токов, возникающих в ферромагнетике под действием внешнего поля излучающей катушки.Для шарового однородного объекта получим:
где В - индукция магнитного поля, m - магнитная проницаемость материала объекта, R - радиус объекта - шара.
Все выражения, полученные выше для проводящего объекта, останутся в силе, если в них для данного случая положить:
Ф.1 Сумма всех амперовых токов, возникающих в ферромагнетике под действием внешнего поля излучающей катушки для шарового однород
Ф.2 Преобразованная формула
3.1.3.4.Суперпозиция проводящих и ферромагнитных свойств объекта
3.1.3.4.Суперпозиция проводящих и ферромагнитных свойств объекта
Учет одновременно электропроводных и ферромагнитных свойств объекта в виде шара приводит к следующему значению коэффициента K1:
Нормирующий коэффициент К4, входящий в выражение для напряжения в приемной катушке, составляет:
Численная оценка (1.23) показывает, например, что модули слагаемых в выражении при типовой частоте излучаемого поля 10(кГц) становятся соизмеримы при радиусе шарового объекта порядка 1(см) и при условии наличия у объекта ферромагнитных свойств. Кроме того, зависимость первого слагаемого от оператора Лапласа говорит о том, что фаза отраженного сигнала будет изменяться в зависимости от соотношения у объекта - мишени электропроводных и ферромагнитных свойств, а также от проводимости материала и размеров объекта. На этом явлении основан принцип действия дискриминаторов современных металлоискателей, то есть электронных устройств, позволяющих по фазовому сдвигу отраженного от объекта сигнала оценить свойства объекта (с определенной вероятностью даже тип металла).
Ф.1 Учет электропроводных и ферромагнитных свойств объекта в виде шара
Ф.2 Расчет нормирующего коэффициента
3.1.3.5.Учет формы объекта
3.1.3.5.Учет формы объекта
Полученные ранее выражения, как указывалось, были справедливы только для формы объекта - мишени в виде однородного шара. Очевидно, что воздействие объектов более сложной формы можно свести к воздействию некоторого эквивалентного шара с радиусом Rэкв.
Наведенное в приемной катушке напряжение, обусловленное проявлением только ферромагнитных свойств, для шарового объекта пропорционально его объему (см. выражение (1.22)). Поэтому, для не слишком протяженных объектов более сложной формы, в первом приближении, можно считать эквивалентным такой шар, объем которого совпадает с объемом ферромагнетика у объекта сложной формы. Для этого случая:
где V - объем ферромагнетика.
С напряжением, наведенным в приемной катушке за счет переизлучения от проводящего объекта, ситуация более сложная. В случае больших объектов с хорошей электропроводностью выражение (1.9) и соответственно наведенное в приемной катушке напряжение также пропорционально объему объекта (то естьR^3) и радиус эквивалентного шара также вычисляется по формуле (1.25). В случае небольших объектов с плохой электропроводностью подход иной. В этом случае общее выражение (1.9) вырождается в частный случай (1.8). Рассмотрим вначале влияние шаровой полости с радиусом Rп внутри шарового объекта на Rэкв. Воспользовавшись принципом суперпозиции, представим результат воздействия шарового объекта с полостью как разность результатов воздействия сплошного шара и шара с радиусом Rп. В соответствии с (1.8), имеет место соотношение:
На рис.9 приведены графики зависимости R/Rэкв от R/DR для полого слабоэлектропроводного и для полого ферромагнитного шара. Из графика видно, что для не
Рис.9. Влияние толщины стенки полого шара на эквивалентный радиус.
слишком тонкостенных шаров из слабопроводящего материала Rэкв»R. Следовательно, в отличие от ферромагнитного шара и от шара высокой проводимости, для слабопроводящего шара, в первом приближении, безразлично сплошной он или полый. Его влияние на процесс переизлучения определяется, в основном, линейным размером, то есть R. Поэтому, в случае не слишком протяженных плохопроводящих объектов более сложной формы, в том числе и полой, в первом приближении, можно считать эквивалентным такой шар, радиусRэкв которого равен половине среднего характерного размера объекта.
Приведенный выше вывод хорошо подтверждается на практике в виде существенного отклика металлоискателя от ничтожных по массе обрывков металлической алюминиевой фольги, которая практически попадается везде, где оставила свой след современная цивилизация.
Рис.9. Влияние толщины стенки полого шара на эквивалентный радиус.
Ф. 1.25 Расчет воздействия некоторого эквивалентного шара с радиусом Rэкв
Ф. 1.26 Влияние шаровой полости с радиусом Rп внутри шарового объекта на Rэкв
3.1.3.6.Система катушек со скрещенными осями
3.1.3.6.Система катушек со скрещенными осями
Рис. 10. Ориентация датчика по крену.
Вид вдоль оси датчика металлоискателя при таком расположении катушек приведен на рис.10. Для расчета такой схемы удобно воспользоваться принципом суперпозиции и разложить вектор магнитного момента излучающей катушки и площадь приемной катушки на вертикальную и горизонтальную составляющие (проекции, см. рис.11).
Для горизонтальной составляющей, проекция индукции поля в приемной катушке Вон будет попрежнему определяться соотношением (1.4). Однако, иная ориентация магнитного момента дает (с точностью до знака) результат:
где К2 определяется по формуле (1.11).
Вертикальная составляющая индукции поля в приемной катушкеBov перпендикулярна векторамr и r' и не зависит в явном виде от углов g и b:
Рис.11. Разложение магнитного момента и площади приемной катушки на составляющие.
ЭДС в приемной катушке Uo , с точностью до знака, составляет:
Отсюда получаем:
В декартовой системе координат с началом в середине базы системы катушек (см. рис.5) получим:
Введя нормированные координаты (1.14), получим:
где К4 вычисляется по формуле (1.19) или (1.24).
Рис. 10. Ориентация датчика по крену.
Рис.11. Разложение магнитного момента и площади приемной катушки на составляющие.
Ф. 1.28 Проекция индукции поля в приемной катушке
Ф. 1.29 Вертикальная составляющая индукции поля в приемной катушке
Ф. 1.30 ЭДС в приемной катушке Uo
Ф. 1.31 ЭДС в приемной катушке Uo
Ф. 1.32 ЭДС в приемной катушке Uo в декартовой системе координат с началом в середине базы системы катушек
Ф. 1.33 ЭДС в приемной катушке с нормированными резуьтатами
3.1.4. Практические соображения
3.1.4. Практические соображения
Чувствительность металлоискателя зависит, в первую очередь от его датчика. Для рассмотренных вариантов датчиков чувствительность определяется формулами (1.20) и (1.33). При оптимальной для каждого случая ориентации ориентации датчика на объект по углу крена y, она определяется одним и тем же коэффициентом K4 и функциями нормированных координат F(X,Y) иG(X,Y). Для сравнения, в квадрате ХО[-4,4], YО[-4,4], модули этих функций приведены в виде аксонометрического набора сечений в логарифмическом масштабе на рис.12 и рис.13.
Первое, что бросается в глаза - это ярко выраженные максимумы вблизи точек расположения катушек датчика (0,+1) и (0,-1). Максимумы функций F(X,Y) иG(X,Y) не представляют практического интереса и для удобства сравнения функций обрезаны по уровню 0(дБ). Из рисунков и из анализа функций F(X,Y) иG(X,Y) также видно, что в указанном квадрате модуль функции F практически везде немного превосходит модуль функции G, за исключением самых удаленных точек по углам квадрата и за исключением узкой области вблизи Х=0, где у функции F имеет место "овраг".
Асимптотическое поведение указанных функций вдали от начала координат можно проиллюстрировать при Y=0. Оказывается, что модуль функции F убывает с расстоянием пропорционально х^(-7), а модуль функции G - пропорционально х^(-6). К сожалению, преимущество функции G по чувствительности проявляется лишь на больших расстояниях, превышающих практический радиус действия
Рис. 12. График функции F(X,Y).
Рис.13. График функции G(X,Y).
металлоискателя. Одинаковые значения модулей F и G получаются при Х»4,25.
Очень важное практическое значение имеет "овраг" функцииF. Во-первых, он свидетельствует о том, что датчик системы катушек с перпендикулярными осями имеет минимальную (теоретически нулевую) чувствительность к металлическим предметам, расположенным на его продольной оси. Естественно, к этим предметам относятся и многие элементы конструкции самого датчика. Следовательно, отраженный от них бесполезный сигнал будет намного меньше, чем у датчика системы катушек со скрещивающимися осями. Последнее очень важно, учитывая, что отраженный сигнал от металлических элементов самого датчика может на несколько порядков превосходить полезный сигнал (ввиду близости этих элементов к катушкам датчика). Дело не в том, что бесполезный сигнал от металлических элементов конструкции датчика трудно скомпенсировать. Основная сложность заключается в малейших изменениях этих сигналов, которые обычно вызываются тепловыми и особенно механическими деформациями указанных элементов. Эти малейшие изменения могут быть уже сопоставимы с полезным сигналом, что приведет к неверным показаниям или ложным срабатываниям прибора.Во-вторых, если с помощью металлоискателя системы катушек с перпендикулярными осями некоторый небольшой объект уже обнаружен, то направление его точного местонахождения может быть легко "запеленговано" по нулевому значению сигнала металлоискателя при точной ориентации его продольной оси на объект (при любых ориентациях по крену). Учитывая, что площадь "захвата" датчика при поиске может составлять несколько квадратньк метров, последнее качество системы катушек с перпендикулярными осями весьма полезно на практике (меньше бесполезных раскопок).
Следующая особенность графиков функцийF(X,Y) и G(X,Y) - наличие кольцеобразного "кратера" нулевой чувствительности, проходящего через центры катушек (окружность единичноо радиуса с центром в точке (0,0)). На практике эта особенность позволяет определять расстояние до небольших объектов. Если обнаружится, что на некотором конечном расстоянии отраженный сигнал зануляется (при оптимальной ориентации по крену) - значит, расстояние до объекта составляет половину базы прибора, то есть величину L/2.
Необходимо также отметить, чтодиаграммы направленности по углу крена y для датчиков металлоискателей с различным взаимным расположением катушек также различаются. На рис.14б приведена диаграмма направленности прибора с перпендикулярньми осями у катушек, а на рис.14а - со скрещивающимися. Очевидно, что вторая диаграмма более предпочтительна, так имеет меньшее количество зон нечувствительности по крену и меньшее количество лепестков.
Для того, чтобы оценить зависимость наведенного в приемной катушке напряжения от параметров металлоискателя и объекта, надо проанализировать выражение (1.19) для коэффициента К4. Наведенное в приемной катушке напряжение пропорционально (L/2)^6. На величину L/2 нормируются и аргументы функций F и G, убывание которых происходит с 6-й - 7-й степенью расстояния. Поэтому, в первом приближении, при прочих равных условиях,чувствительность металлоискателя не зависит от его базы.
Рис.14. Диаграммы направленности по крену датчиков систем катушек:
- со скрещивающимися осями (а)
- с перпендикулярными осями (б).
Однако, в некоторых случаях конструкция датчика с большей базой может оказаться более предпочтительной, так как в этом случае меньшим будет неизбежное паразитное проникновение сигнала непосредственно из излучающей катушки в приемную.
Для того, чтобы проанализировать селективность металлоискателя, то есть его способность различать объекты, изготовленные из различных металлов или сплавов, необходимо обратиться к выражению (1.23). Металлоискатель может различать объекты по фазе отраженного сигнала. Для того, чтобы разрешающая способность прибора по типу металлов была максимальной, необходимо соответствующим образом выбрать частоту сигнала излучающей катушки, так, чтобы фаза отраженного от объектов сигнала составляла около 45°. Это - середина диапазона возможных изменений фазы первого слагаемого выражения (1.23), и там крутизна фазочастотной характеристики максимальна. Второе слагаемое выражения (1.23) считаем нулевым, так как при поиске в первую очередь нас интересует селективность по цветным металлам - неферромагнетикам. Естественно, оптимальный выбор частоты сигнала подразумевает знание типового размера предполагаемых объектов. Практически во всех зарубежных промышленных металлоискателях в качестве такого размера заложен размер монеты. Оптимальная частота составляет:
При типовом диаметре монеты 25(мм) ее объем составляет около 10^(-6) (м^3), что по формуле (1.25) соответствует эквивалентному радиусу около 0,6(см). Отсюда получаем оптимальное значение частоты около 1(кГц) при проводимости материала монеты 20(н0мЧм). В промышленных приборах частота обычно на порядок выше (по технологическим соображениям).
Рис. 12. График функции F(X,Y).
Рис.13. График функции G(X,Y).
Рис.14. Диаграммы направленности по крену датчиков систем катушек:
Ф. 1.34 Оптимальная частота
3.1.5. Выводы
3.1.5. Выводы
1. По мнению автора, система катушек с перпендикулярными осями предпочтительнее для поиска кладов и реликвий, чем система катушек со скрещивающимися осями. При прочих равных условиях, первая система имеет чувствительность немного выше . Кроме того, с ее помощью гораздо проще определить ("запеленговать") точное направление, в котором следует искать обнаруженный объект.
2. Рассмотренные системы катушек имеют важное свойство, позволяющее оценивать расстояние до небольших объектов по занулению отраженного сигнала при расстоянии до объекта, равном половине базы.
3. При прочих равных условиях (размеры и число витков катушек, чувствительность приемного тракта, величина тока и его частота в излучающей катушке), чувствительность металлоискателя по принципу "передача-прием" практически не зависит от его базы, то есть от расстояния между катушками.
3.2 Металлоискатель на биениях
3.2 МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ НА БИЕНИЯХ
Термин "металлоискатель на биениях" является отголоском терминологии, принятой в радиотехнике еще со времен первых супергетеродинных приемников. Биениями называется явление, наиболее заметно проявляющееся при сложении двух периодических сигналов с близкими частотами и приблизительно одинаковыми амплитудами и заключающееся в пульсации амплитуды суммарного сигнала. Частота пульсации равна разности частот двух складываемых сигналов. Пропустив такой пульсирующий сигнал через выпрямитель (детектор), можно выделить сигнал разностной частоты. Такая схемотехника долгое время была традиционной, однако в настоящее время, ввиду развития синхронных детекторов, обычно не используется ни в радиотехнике, ни в металлоискателях, хотя термин "на биениях" остался до сих пор.
3.2.1. Принцип действия
3.2.1. Принцип действия
Принцип действия металлоискателя на биениях очень прост и заключается в регистрации разности частот от двух генераторов - один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик - катушку индуктивности в своей частотозадающей цепи. Прибор настраивается таким образом, чтобы в отсутствие металла вблизи датчика частоты двух генераторов совпадали или были очень близки по значению. Наличие металла вблизи датчика приводит к изменению его параметров и как следствие, к изменению частоты соответствующего генератора. Это изменение, как правило очень мало, однако изменение разности частот двух генераторов уже существенно и может быть легко зарегистрировано.
Разность частот может регистрироваться самыми различными путями, начиная от простейшего, когда сигнал разностной частоты прослушивается на головные телефоны или через громкоговоритель, и кончая цифровыми способами измерения частоты.
3.2.2. Теоретические соображения
3.2.2. Теоретические соображения
Рассмотрим подробнее датчик металлоискателя на биениях, состоящий из одной катушки (см. рис.15).
Рис. 15. Взаимодействие однокатушечного датчика металлоискателя с объектом.
Индукция магнитного поля в центре катушки составляет:
где Pm - магнитный момент, создаваемый током катушки I, R0- радиус катушки, S - площадь катушки.
За счет взаимодействия с проводящим и/или ферромагнитным объектом возникает добавочная компонента индукции. Так как механизм ее появления точно такой же, как и в рассмотренном ранее случае металлоискателя по принципу "передача - прием", можно воспользоваться результатами предыдущего раздела и записать для добавочной компоненты индукции:
где K1 - коэффициент, вычисляемый по формуле (1.8), (1.9) или (1.23).
Так как коэффициент K1 - функция комплексная, то и относительное изменение индукции можно обозначить как функцию оператора Лапласа:
Таким образом, полное сопротивление катушки датчика металлоискателя (без учета омического сопротивления провода и межвитковой емкости) можно представить как:
где L - индуктивность катушки без влияния объекта.
Под воздействием объекта меняется полное сопротивление катушки. В металлоискателях на биениях это изменение оценивается по изменению резонансной частоты колебательного LC- контура, образованного катушкой датчика и конденсатором.
Рис. 15. Взаимодействие однокатушечного датчика металлоискателя с объектом.
Ф. 1.35 Индукция магнитного поля в центре катушки
Ф. 1.36 Индукция магнитного поля в центре катушки для добавочной компоненты индукции
Ф. 1.37 Относительное изменение индукции можно обозначить как функцию оператора Лапласа
Ф. 1.38 Полное сопротивление катушки датчика металлоискателя
3.2.3. Практические соображения
3.2.3. Практические соображения
Чувствительность металлоискателя на биениях определяется выражениями (1.36)-(1.38) и зависит, кроме того от параметров преобразования изменения полного сопротивления датчика в частоту. Как уже отмечалось, обычно преобразование заключается в получении разностной частоты стабильного генератора и генератора с катушкой датчика в частотозадающей цепи. Поэтому, чем выше будут частоты этих генераторов, тем больше будет разность частот в отклик на появление металлической мишени вблизи датчика. Регистрация небольших отклонений частоты представляет определенную сложность. Так, на слух можно уверенно зарегистрировать уход частоты тонального сигнала не менее 10(Гц). Визуально, по миганию светодиода можно зарегистрировать уход частоты не менее 1(Гц). Другими способами можно добиться регистрации и меньшей разности частот, однако эта регистрация потребует значительного времени, что неприемлемо для металлоискателей, которые всегда работают в реальном масштабе времени.
Способ выделения небольшой по величине разности частот двух генераторов порождает существенную техническую проблему в виде явления захвата фазы. Оно заключается в том, что два генератора, настроенные на очень близкие частоты, имеют тенденцию к паразитной взаимной синхронизации. Эта синхронизация проявляется в том, что при попытке приблизить каким-либо путем разностную частоту двух генераторов к нулю, по достижению разностной частотой некоторого порога, происходит скачкообразный переход к состоянию генераторов, когда их частоты совпадают. Генераторы становятся синхронизированными. Физически, явление захвата фазы объясняется нелинейностями, неизбежно присутствующими в любом генераторе, и паразитньм проникновением сигнала одного генератора в другой (по цепям питания, через паразитные емкости и т.д.). Как показывает практика, если не прибегать к специальным ухищрениям типа оптоэлектронной развязки генераторов, то реально получить для разностной частоты порог наступления паразитной синхронизации порядка 10^(-4) относительно частоты генераторов. Отсюда можно получить оценку для частоты, на которой должен работать металлоискатель на биениях, для получения максимальной чувствительности - 10...100(кГц) и выше.
Селективность по металлам на таких частотах, весьма далеких от оптимальной (1.34), проявляется очень слабо. Кроме того, по сдвигу частоты генератора определить фазу отраженного сигнала практически невозможно. Поэтому селективность у металлоискателя на биениях отсутствует.
Отклик прибора на металлический объект, в соответствии с формулой (1.36), обратно пропорционален шестой степени расстояния. То есть, он практически такой же, как и у металлоискателей по принципу "передача-прием". Однако, дальность обнаружения приборов данного типа обычно намного хуже вследствие эффекта паразитной синхронизации.
Положительной для практики стороной является простота конструкции датчика и электронной части металлоискателя на биениях. Такой прибор может быть очень компактным. Им удобно пользоваться, когда что-либо уже обнаружено более чувствительным прибором. Если обнаруженный предмет небольшой и находится достаточно глубоко в земле, то он может "затеряться", переместиться в ходе раскопок. Чтобы по многу раз не "просматривать" громоздким чувствительным металлоискателем место раскопок, желательно на завершающей стадии контролировать их ход компактным прибором малого радиуса действия, которым можно более точно узнать местонахождение предмета.
3.2.4. Выводы
3.2.4. Выводы
1. Металлоискатели на биениях имеют меньшую чувствительность, чем металлоискатели по принципу "передача-прием".
2. Селективность по типам металлов отсутствует.
3.3. Однокатушечный металлоискатель индукционного типа
3.3.1. Принцип действия
3.3.1. Принцип действия
Слово "индукционный" в названии металлоискателей данного типа полностью раскрывает принцип их работы, если вспомнить смысл слова "inductio" (лат.) - наведение. Прибор данного типа имеет в составе датчика одну катушку любой удобной формы, возбуждаемую переменным сигналом. Появление вблизи датчика металлического предмета вызывает появление отраженного (переизлученного сигнала), который "наводит" в катушке дополнительный сигнал электрический. Остается этот дополнительный сигнал только выделить.
Металлоискатель индукционного типа получил право на жизнь, главным образом, из-за основного недостатка приборов по принципу "передача-прием" - сложности конструкции датчиков. Эта сложность приводит либо к высокой стоимости и трудоемкости изготовления датчика, либо к его недостаточной механической жесткости, что обуславливает появление ложных сигналов при движении и снижает чувствительность прибора. Если задаться целью устранить у приборов по принципу "передача-прием" этот недостаток, то можно придти к необычному выводу - излучающая и приемная катушки у металлоискателя должны быть объединены в одну! В самом деле, весьма нежелательные перемещения и изгибы одной катушки относительно другой в данном случае отсутствуют, так как катушка только одна и она одновременно и излучающая, и приемная. Налицо также предельная простота датчика. Платой за эти преимущества является необходимость выделения полезного отраженного сигнала на фоне значительно большего сигнала возбуждения излучающей/приемной катушки.
Принципиальная схема входной части
Выделить отраженный сигнал можно, если вычесть из электрического сигнала, присутствующего в катушке датчика, сигнал той же формы, частоты, фазы и амплитуды, что и сигнал в катушке при отсутствии металла вблизи. Как это можно реализовать одним из способов, показано в виде структурной схемы на рис. 16.
Рис.16. Структурная схема входного узла индукционного металлоискателя
Генератор вырабатывает переменное напряжение синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Преобразователь "напряжение-ток" (ПНТ) преобразует напряжение генератора Uг в ток Iг, который задается в колебательный контур датчика. Колебательный контур состоит из конденсатора С и катушки L датчика. Его резонансная частота равна частоте генератора. Коэффициент преобразования ПНТ выбирается таким, чтобы напряжение колебательного контура Uд равнялось напряжению генератора Uг (в отсутствие металла вблизи-датчика). Таким образом, на сумматоре происходит вычитание двух сигналов одинаковой амплитуды, а выходной сигнал - результат вычитания - равен нулю. При появлении металла вблизи датчика возникает отраженный сигнал (иными словами, меняются параметры катушки датчика) и это приводит к изменению напряжения колебательного контура Uд. На выходе появляется сигнал, отличный от нуля.
На рис.16 приведен лишь простейший вариант одной из схем входной части металлоискателей рассматриваемого типа, как простейший. Вместо ПНТ в данной схеме в принципе возможно использование токозадающего резистора. Могут быть использованы различные мостовые схемы для включения катушки датчика, сумматоры с различными коэффициентами передачи по инвертирующему и неинвертирующему входам, частичное включение колебательного контура, и т.д. и т.п.
В схеме на рис. 16 в качестве датчика используется колебательный контур. Это сделано для простоты, чтобы получить нулевой сдвиг фаз между сигналами Uг и Uд (контур настроен на резонанс). Можно отказаться от колебательного контура с необходимостью точной настройки его на резонанс и использовать в качестве нагрузки ПНТ только катушку датчика. Однако, коэффициент передачи ПНТ для этого случая должен быть комплексным, чтобы скорректировать сдвиг фазы приблизительно на 90°, возникающий из- за индуктивного характера нагрузки ПНТ.
Рис.16. Структурная схема входного узла индукционного металлоискателя
3.3.2. Теоретические соображения
3.3.2. Теоретические соображения
Как уже отмечалось, металлоискатель индукционного типа можно представить как некоторый предельный случай металлоискателя по принципу "передача-прием", когда излучающая и приемная катушка совпадают. Поэтому многими результатами раздела 1.1 можно воспользоваться и для металлоискателя индукционного типа. Кроме того, от металлоискателя на биениях индукционный металлоискатель отличается только способом регистрации отраженного сигнала, поэтому и некоторые результаты раздела 1.2 также будут справедливы для прибора индукционного типа.
Взаимодействие катушки металлоискателя индукционного типа с металлическим объектом может проиллюстрировать рис.15. Отраженный сигнал можно оценить величиной индукции магнитного поля (1.36). В отличие от приборов по принципу "передача-прием", величина отраженного сигнала при допущении (1.3) зависиттолько от расстояния между объектом и датчиком, и не зависит от ориентации датчика на объект.
Дополнительное напряжение, наведенное в катушке датчика отраженным сигналом, вычисляется по формуле (1.17), где индукция отраженного сигнала равна (1.36). Без учета знака это напряжение составляет:
где p - оператор Лапласа, I - ток в катушке, r - расстояние между датчиком и объектом, S - площадь катушки, N - число ее витков, R - эквивалентный радиус объекта, KS- коэффициент, вычисляемый по формуле (1.23).
Ф. 1.39 Индукция отраженного сигнала
3.3.3. Практические соображения
3.3.3. Практические соображения
Отклик прибора по напряжению на металлический объект, в соответствии с формулой (1.39), обратно пропорционален шестой степени расстояния. То есть, он практически такой же, как и у металлоискателей по принципу "передача-прием". Аналогичен и принцип регистрации отраженного сигнала. Поэтому теоретическая чувствительность индукционного металлоискателя такая же, как и у приборов по принципу "передача-прием".
Теоретические соображения по поводу селективности, приведенные в разделе 1.1 для металлоискателя по принципу "передача-прием", справедливы и для индукционного металлоискателя. Селективность определяется коэффициентом (1.23), входящим в формулу (1.39) для напряжения полезного отраженного сигнала.
Из конструктивных особенностей следует отметить простоту конструкции датчика металлоискателя. Платой за простоту, как указывалось выше, является необходимость .выделения малого полезного сигнала на фоне большого электрического сигнала возбуждения катушки датчика металлоискателя. Если учесть, что соотношение амплитуд этих сигналов может достигать 105...106, то ясно, что для практики это не простая, хотя и вполне разрешимая задача. Сложность решения этой задачи заключается в том, что катушка датчика металлоискателя реагирует не только на полезный отраженный сигнал, но и на любое изменение ее параметров. К счастью, чувствительность к механическим деформациям у датчика индукционного металлоискателя намного ниже, чем у приборов по принципу "передачаприем". Однако, возникает специфическая для индукционного металлоискателя проблема температурной чувствительности датчика. Дело в том, что омическое сопротивление провода (обычно медного), которым намотана катушка датчика, практически линейно растет с ростом температуры. Вызванные неизбежными колебаниями температуры, эти сравнительно медленные изменения полного сопротивления и напряжения датчика очень невелики сами по себе, однако сопоставимы или даже больше, чем от воздействия полезного сигнала. Таким образом, актуальной становится задача компенсации температурного дрейфа полного сопротивления катушки датчика металлоискателя.
3.3.4. Выводы
3.3.4. Выводы
1. Индукционные металлоискатели сочетают в себе вы сокую чувствительность и селективность металлоискателей по принципу "передача-прием" и простоту конструкции датчика металлоискателей на биениях.
2. Актуальной становится задача компенсации темпера турного дрейфа параметров катушки датчика металлоискателя.
3.4 Другие типы металлоискателей
3.4. ДРУГИЕ ТИПЫ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЕЙ
Первый вопрос, который возникает у человека после ознакомления с недостатками и ограничениями тех или иных металлоискателей, звучит приблизительно так: "Какие существуют другие принципы и приборы на их основе для дистанционного обнаружения металлических предметов?" Вопрос закономерен, однако приводимый ниже ответ на него, вероятно, не сильно обрадует любознательного читателя.
Импульсные металлоискатели
В рассмотренных ранее трех типах электронных металлоискателей отраженный сигнал отделяется от излучаемого. либо геометрически - за счет взаимного расположения приемной и излучающей катушки, либо с помощью специальных схем компенсации. Очевидно, что может существовать и временной способ разделения излучаемого и отраженного сигналов. Такой способ широко используется, например, в импульсной эхо- и радиолокации. При локации механизм задержки отраженного сигнала обусловлен значительным временем распространения сигнала до объекта и обратно. Однако, применительно к металлоискателям, таким механизмом может быть и явление самоиндукции в проводящем объекте. После воздействия импульса магнитной индукции в проводящем объекте возникает и некоторое время поддерживается вследствие явления самоиндукции затухающий импульс тока, обуславливающий задержанный по времени отраженный сигнал. Таким образом, может быть предложена другая схема металлоискателя, принципиально отличающаяся от рассмотренных ранее по способу разделения сигналов. Такой металлоискатель получил название импульсного. Он состоит из генератора импульсов тока, приемной и излучающей катушек, устройства коммутации и блока обработки сигнала.
Генератор импульсов тока формирует короткие импульсы тока миллисекундного диапазона, поступающие в излучающую катушку, где они преобразуются в импульсы магнитной индукции. Так как излучающая катушка - нагрузка генератора импульсов имеет ярко выраженный индуктивный характер, на фронтах импульсов у генератора возникают перегрузки в виде всплесков напряжения. Такие всплески могут достигать по амплитуде сотен (!) вольт, однако использование защитных ограничителей недопустимо, так как оно привело бы к затягиванию фронта импульса тока и магнитной индукции и, в конечном счете, к усложнению отделения отраженного сигнала.
Приемная и излучающая катушки могут располагаться друг относительно друга достаточно произвольно, так как прямое проникновение излучаемого сигнала в приемную катушку и действие на нее отраженного сигнала разнесены по времени. В принципе, одна катушка может выполнять роль как приемной, так и излучающей, однако в данном случае гораздо сложнее будет развязать высоковольтные выходные цепи генератора импульсов тока и чувствительные входные цепи.
Устройство коммутации призвано произвести упомянутое выше разделение излучаемого и отраженного сигналов. Оно блокирует входные цепи прибора на определенное время, которое определяется временем действия импульса тока в излучающей катушке, временем разрядки катушки и временем, в течение которого возможно появление коротких откликов прибора от массивных слабопроводящих объектов типа грунта. По истечении же этого времени устройство коммутации должно обеспечить беспрепятственную передачу сигнала с приемной катушки на блок обработки сигнала.
Блок обработки сигнала предназначен для преобразования входного электрического сигнала в удобную для восприятия человеком форму. Он может быть сконструирован на основе решений, используемых в металлоискателях других типов.
К недостаткам импульсных металлоискателей следует отнести сложность реализации на практике дискриминации объектов по типу металла, сложность аппаратуры генерации и коммутации импульсов тока и напряжения большой амплитуды, высокий уровень радиопомех.
Магнитометры
Магнитометрами называется обширная группа приборов, предназначенных для измерения параметров магнитного поля (например, модуля или составляющих вектора магнитной индукции). Использование магнитометров в качестве металлоискателей основано на явлении локального искажения естественного магнитного поля Земли ферромагнитными материалами, например железом. Обнаружив с помощью магнитометра отклонение от обычного для данной местности модуля или направления вектора магнитной индукции поля Земли, можно с уверенностью утверждать о наличии некоторой магнитной неоднородности (аномалии), которая может быть вызвана железньм предметом.
По сравнению с рассмотренными ранее металлоискателями, магнитометры имеют гораздо большую дальность обнаружения железных предметов. Очень впечатляет информация о том, что с помощью магнитометра можно зарегистрировать мелкие обувные гвозди от ботинка на расстоянии 1(м), а легковой автомобиль - на расстоянии 10(м)! Такая большая дальность обнаружения объясняется тем, что аналогом излучаемого поля обычных металлоискателей для магнитометров является однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик прибора на железный предмет обратно пропорционален не шестой, а третьей степени расстояния.
Принципиальным недостатком магнитометров является невозможность обнаружения с помощью них предметов из цветных металлов. Кроме того, даже если нас интересует только железо, применение магнитометров для поиска затруднительно. Во-первых, в природе существует большое разнообразие естественных магнитных аномалий самого различного масштаба (отдельные минералы, залежи минералов и т.п.) Во-вторых, магнитометры обычно громоздки и не предназначены для работы в движении.
Для иллюстрации бесполезности магнитометров при поиске кладов и реликвий можно привести такой пример. С помощью обычного компаса, который по сути является простейшим магнитометром, можно зарегистрировать обычное железное ведро на расстоянии около 0,5(м), что само по себе является неплохим результатом. Однако (!), попробуйте с помощью компаса найти то же ведро, спрятанное под землей, в реальных условиях!
Радиолокаторы
Общеизвестен факт, что с помощью современных радиолокаторов можно обнаружить такой объект, как самолет, на расстоянии нескольких сотен километров. Возникает вопрос: неужели современная электроника не позволяет создать компактное устройство, пусть намного уступающее по дальности обнаружения современным стационарным радиолокаторам, но позволяющее обнаруживать интересующие нас предметы (см. название книги)? Ответом является ряд публикаций, в которых такие устройства описаны.
Типичным для них является применение достижений современной микроэлектроники СВЧ, компьютерной обработки полученного сигнала. Использование современных высоких технологий практически делает невозможным самостоятельное изготовление этих устройств. Кроме того, большие габариты пока не позволяют их широко применять в полевых условиях.
К преимуществам радиолокаторов следует отнести принципиально более высокую дальность обнаружения отраженный сигнал в грубом приближении можно считать подчиняющимся законам геометрической оптики и его ослабление пропорционально не шестой и даже не третьей, а лишь второй степени расстояния.
4. Какой металлоискатель лучше?
4. КАКОЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ ЛУЧШЕ?
Этот вопрос заслужил выделения в отдельную небольшую главу из-за того, что автору приходилось много-много раз его слышать и много раз на него отвечать.
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо уяснить - какие цели вы преследуете при поиске и какой ценой вы планируете их достичь. Как правило, значительная часть людей и не подозревает, что многие проблемы поиска кладов, реликвий и т.д. решаются не путем улучшения характеристик приборов для поиска, а совсем в ином ключе.
Например, один знакомый автора занимался в свободное время тем, что в течение нескольких лет методично объезжал провинциальные города средней полосы России, находил интересные, с его точки зрения, здания старинной постройки и тщательно исследовал их чердаки и подвалы. Собранный им антиквариат вполне оправдал использованный метод. Аналогичным способом промышляют многие поисковики и в Москве.
Коль речь зашла о чердаках и подвалах, следует также отметить, что металлоискатель вблизи железных труб и железной крыши, скорее всего, бесполезен ввиду "экранирования " небольших предметов поиска массивными посторонними предметами.
Курьезный случай произошел с автором во время весеннего байдарочного похода в Новгородской области. Мощнейший паводок 1994 года срезал ледоходом на многих участках берега рек. В одном месте, не имея металлоискателя. автору удалось найти военных реликвий больше, чем за все остальные походы с прибором (кстати, самой интересной находкой оказалась германская монета в 20 пфеннингов 1942 года).
Следовательно, прежде чем искать ответ на вопрос, какой металлоискатель лучше, рекомендуется уточнить, а нужен ли он вообще?
Аналогично и с тем, какой ценой планируется осуществить поиск. Тем "горячим головам", которые отвечают - "любой ценой", можно порекомендовать тщательно перекопать всю землю в интересующем районе и просеять ее через мелкое сито...
Реалистический же подход, представленный для наглядности в виде таблицы в координатах "деньги-труд", выглядит так:
Таблица.
|
ТРУД |
|||
|
Вы разбираетесь в технике, но делать прибор своими руками не собираетесь |
Вы можете сделать прибор своими руками и обладаете необходимыми знаниями |
||
|
Д Е Н Ь Г И |
Вы готовы потратить на прибор до 1000$ |
Вы можете купить хороший многофункциональный прибор, изготовленный известными зарубежными фирмами. |
Вы сможете не только изготовить нечто уникальное, но, возможно, добьетесь того, чего не удалось ни автору, ни фирмам! |
|
Вы готовы потратить на прибор до 250$ |
Вы можете купить одну из простых моделей, изготовленную известными зарубежными фирмами. |
Вы сможете изготовить хороший многофункциональный прибор, не уступающий зарубежным. |
|
|
Вы не собираетесь тратить на это деньги |
Вам, увы, не поможет ни что!!! |
Вы, вероятно, сможете изготовить несложный прибор, исходя из того, "что есть под рукой". |
|
Что касается технической стороны дела, то можно с уверенностью сказать, что подавляющее число выпускаемых за рубежом электронных металлоискателей, предназначенных для серьезного поиска, относятся к так называемому классу VLF - металлоискателей (VLF = Very Low Frequency -сверхнизкочастотных), работающих на принципе "передача-прием" на частотах 5-15(кГц). Такие приборы рекомендуются и для самостоятельного изготовления.
Начинающим радиолюбителям можно порекомендовать более простой прибор на биениях, или упрощенные варианты металлоискателей других типов.
Любителям научного эксперимента и неуёмного конструкторского поиска можно, в принципе, рекомендовать металлоискатели всех типов. Однако, по мнению автора, наиболее интересны приборы индукционного типа и по принципу "передача-прием".
5. Реальные возможности металлоискателей
5. РЕАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТАЛЛОИСКТЕЛЕЙ
5.1. Глубина обнаружения
5.1. ГЛУБИНА ОБНАРУЖЕНИЯ
Один из главных параметров металлоискателя - это глубина обнаружения объектов. Как правило, для начинающих этот параметр покрыт мраком. Это неудивительно - ни в одном каталоге, рекламирующем металлоискатели вы не найдете указания, на каком расстоянии прибор обнаруживает монету, металлический кувшин и т.п. Указывается, в лучшем случае, сколько весит прибор и какое время он может работать без смены аккумулятора. Иногда приводится параметр "максимальная теоретически возможная глубина обнаружения", которая в несколько раз больше того, о чем думает человек, держащий в руках металлоискатель.
Для того, чтобы прояснить данный вопрос, информация, изложенная ниже, разбита для удобства по шкале размеров различных предметов поиска.
Монета
Начнем с того, что под монетой в описаниях многих зарубежных приборов обычно подразумевается монета диаметром 25(мм). Для тех, кто еще помнит, - это монета СССР достоинством в 5 копеек. Глубина обнаружения такой монеты составляет от 10(см) для несерьезных приборов до 50(см) для очень серьезных. Глубина обнаружения сильно зависит от размера датчика (обычно - диаметр диска с катушками). Ориентировочно, для такой монеты глубина обнаружения приблизительно равна диаметру датчика. Более мелкие монеты будут обнаруживаться на меньших расстояниях. Например, глубина обнаружения монеты достоинством в 1 копейку будет приблизительно в два раза меньше, чем указано выше для пятака.
Бронзовая статуэтка, пистолет
Естественно, более крупные предметы металлоискатель обнаруживает на большем расстоянии. Для того, чтобы оценить это увеличение, обычно приводят в пример бронзовую статуэтку или пистолет (в качестве реликвии из отечественной истории можно упомянуть пушечное ядро). Глубина обнаружения таких предметов составляет около 1(м). Глубина обнаружения слабо зависит от размера и от типа датчика (он может быть как с компланарными катушками, так и с ортогональными на штанге). Для датчика с катушками большего диаметра и для датчика с системой ортогональных катушек на штанге глубина обнаружения будет несколько больше (на 20% при переходе от дискового датчика диаметром 20(см) к датчику диаметром 30(см)).
Металлический шит, колокола
Все сказанное/в предыдущем абзаце справедливо и для этих объектов, за исключением глубины обнаружения, которая лежит в диапазоне 1,5-2,5(м).
Танк, паровоз, самолет
На серьезном языке глубина обнаружения таких объектов называется: "максимальная теоретически возможная глубина обнаружения". Иными словами, существует теоретический предел, дальше которого электронный металлоискатель не в состоянии регистрировать объекты в принципе, несмотря на сколь угодно большие их размеры.
Существование этого предела по глубине обнаружения легко объяснимо, если вспомнить, что амплитуда отраженного сигнала обратно пропорциональна 6-7й степени расстояния, а от размера объекта зависит лишь в 3-5й степени.
Величина максимальной теоретически возможной глубины обнаружения составляет от 1(м) для простейших приборов с дисковым датчиком до 4(м) для сложных приборов с большим датчиком из ортогональных катушек на штанге. К сожалению, именно эта величина обычно фигурирует в рекламных целях, но на такой глубине вы не найдете ничего!
ЗАПОМНИТЕ!
Самым современным электронным металлоискателем можно обнаружить среднюю монету на глубине максимум 50 см, крупный массивный цельнометаллический предмет - максимум на 2,5 м.
5.2. Селективность по металлам
5.2. СЕЛЕКТИВНОСТЬ ПО МЕТАЛЛАМ
В отличие от глубины обнаружения, о весьма скромных значениях которой несведующий человек обычно не догадывается, селективность по металлам представляется более ясным вопросом - так думают многие. И они заблуждаются.
Источником заблуждений служит, как водится, не вполне достоверная реклама. Во многих каталогах и проспектах фирм приведены крупным планом фотографии шкал стрелочных индикаторов металлоискателей. Сразу бросается в глаза, что шкала прибора проградуирована по секторам с указанием вида металла: "железо", "не железо", "золото", "серебро" и т.д. Однако, эта градуировка относится, в основном к небольшим предметам и непригодна для дальнего поиска крупных предметов.
Несостоятельность заявлений о высокой селективности металлоискателей может быть установлена даже чисто умозрительно. В самом деле, что произойдет, если для эксперимента попытаться определить металлоискателем с селектором по металлам мишень, состоящую из двух небольших предметов - один из железа, другой - из серебра? Ясно, что любое показание индикатора окажется ложным. Мало того - в зависимости от соотношения масс, формы и размеров этих двух предметов может получиться любой результат. Например, стрелка прибора может остановиться на секторе "золото"! С такой же легкостью металлоискатели с селекцией по металлам "путают" железные предметы с нежелезными, в зависимости от их формы и массы. Представьте себе ощущения человека, который вместо обещанных золотых гор обнаруживает после многочасовых раскопок обрезок железнодорожного рельса!!!
Подытоживая, можно сказать следующее. Рекламируемые возможности электронных металлоискателей преувеличены. Тем не менее, они до сих пор остаются единственным доступным классом приборов, позволяющих "видеть металлические предметы сквозь землю".
6. Практические конструкции
6. ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
6.1 Металлоискатель по принципу "передача-прием"
6.1. МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ ПО ПРИНЦИПУ "ПЕРЕДАЧА-ПРИЕМ"
Предлагаемый металлоискатель предназначен для "дальнего" поиска сравнительно крупных предметов. Он собран по простейшей схеме без дискриминатора по типам металлов. Прибор несложен в изготовлении. Глубина обнаружения составляет:
| пистолет | 0,5 (м) |
| каска | 1 (м) |
| ведро |
1,5 (м)
|
6.1.1. Структурная схема
6.1.1. Структурная схема
Рис. 17. Структурная схема металлоискателя по принципу "передача-прием ".
Структурная схема изображена на рис.17. Она состоит из нескольких функциональных блоков.Генератор является источником прямоугольных импульсов, из которык в дальнейшем формируется сигнал, поступающий на излучающую катушку. Этот же сигнал используется для формирования сигнала звуковой индикации. Сигнал генератора делится по частоте на 4 с помощью кольцевого счетчика на триггерах. По кольцевой схеме счетчик выполнен для того, чтобы на его выходах можно было сформировать два сигнала, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 90°.
Прямоугольный сигнал (меандр) подается с первого выхода кольцевого счетчика на вход усилителя мощности, нагрузкой которого является колебательный контур с излучающей катушкой. По своему типу усилитель мощности является преобразователем "напряжение-ток", что позволяет предотвратить перегрузки выходного каскада в моменты смены полярности входного прямоугольного сигнала усилителя мощности.
Приемный усилитель напряжения усиливает сигнал, поступающий с приемной катушки. В приемную катушку кроме полезного проникает также и паразитный сигнал, обусловленный неидеальностью конструкции системы катушек металлоискателя, проводимостью грунта и др. причинами. Для его устранения предназначена схема компенсации. Смысл ее работы заключается в том, что в сигнал приемного усилителя подмешивается некоторая часть сигнала с выходного колебательного контура так, чтобы минимизировать (в идеале - довести до нуля) выходной сигнал синхронного детектора при отсутствии вблизи датчика металлических предметов. Настройка схемы компенсации осуществляется с помощью регулировочного потенциометра.
Синхронный детектор преобразует полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя, в постоянный сигнал. Важной особенностью синхронного детектора является возможность выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех, значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде. Опорный сигнал синхронного детектора берется со второго выхода кольцевого счетчика, сигнал которого имеет сдвиг по фазе относительно первого выхода на 90°. Динамический диапазон изменения полезного сигнала как на выходе приемной катушки, так и на выходе синхронного детектора очень широк.
Чтобы устройство индикации - стрелочный прибор или звуковой индикатор одинаково хорошо регистрировали как очень слабые сигналы, так и очень (например, в 100 раз) более сильные сигналы, необходимо иметь в составе прибора устройство, сжимающее динамический диапазон. Таким устройством является нелинейный усилитель, амплитудная характеристика которого приближается к логарифмической. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор.
Формирование звукового сигнала индикации начинается ограничителем по минимуму, т.е. блоком, имеющим зону нечувствительности для малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих по амплитуде некоторый порог. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, не раздражают слух.
Формирователь опорного сигнала звуковой индикации формирует пачки прямоугольных импульсов частотой 2(кГц) с частотой повторения пачек 8(Гц). С помощью балансного модулятора этот опорный сигнал перемножается на выходной сигнал ограничителя по минимуму, формируя таким образом сигнал нужной формы и нужной амплитуды. Усилитель пьезоизлучателя увеличивает амплитуду сигнала, который поступает на акустический преобразователь - пьезоизлучатель.
Рис. 17. Структурная схема металлоискателя по принципу "передача-прием ".
6.1.2.Принципиальная схема
6.1.2.Принципиальная схема
Принципиальная схема разработанного автором металлоискателя по принципу "передача - прием" приведена на рис.18 - входной блок и рис.19 - блок индикации. Разделение на блоки - условно и не отражает особенностей конструкции.
Рис.18. Принципиальная электрическая схема входного блока металлоискателя по принципу "передача-прием ".
Генератор
Собран на логических элементах 2И-НЕ D1.1-D1.4. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2^15(Гц)» 32(кГц) ("часовой кварц"). Цепочка R1C1 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током от источника питания, надежно работает при напряжении питания 3^(-15)(В), не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32(кГц).
Кольцевой счетчик
Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во-первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8(кГц) (рекомендации по выбору частоты - см. гл. 1.1). Во-вторых, он формирует два сигнала, сдвинутых друг относительно друга на 90° по фазе. Один сигнал используется для возбуждения колебательного контура с излучающей катушкой, другой - в качестве опорного сигнала синхронного детектора. Кольцевой счетчик представляет собой два D- триггера D2.1 и D2.2, замкнутых в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал - общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90°) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2.
Усилитель мощности
Собран на операционном усилителе (ОУ) D3.1. Колебательный контур с излучающей катушкой образован элементами L1C2. Параметры катушки индуктивности приведены в таблице. Марка провода обмоток - ПЭЛШО 0,44.
В цепь ОС усилителя выходной колебательный контур включен только на 25%, благодаря отводу от 50-го витка излучающей катушки L1. Это позволяет увеличить амплитуду тока в катушке при приемлемом значении емкости прецизионного конденсатора С2.
Таблица. Параметры катушек индуктивности датчика.
|
Обозначение |
Назначение |
Количество витков |
Внутр. диаметр |
|
L1 |
излучающая |
50+150 |
190мм |
|
L2 |
приемная |
100 |
125мм |
Величина переменного тока в катушке задается резистором R3. Этот резистор должен иметь минимальную величину, но такую, чтобы ОУ усилителя мощности не попадал в режим ограничения выходного сигнала по току (не более 40(мА)) или, - что вероятнее всего при рекомендуемых параметрах катушки индуктивности L1,- по напряжению (не более ±3,5(В) при напряжении батарей питания ±4,5(В)). Для того, чтобы убедиться в отсутствии режима ограничения, достаточно проверить осциллографом форму сигнала на выходе ОУ D3.1. При нормальной работе усилителя на выходе должен присутствовать сигнал, приближающийся по форме к синусоиде. Вершины волн синусоиды должны иметь плавную форму, "обрезание" вершин должно отсутствовать. Цепь коррекции ОУ D3.1 состоит из корректирующего конденсатора СЗ емкостью 33(пФ).
Приемный усилитель
Приемный усилитель - двухкаскадный. Первый каскад выполнен на ОУ D5.1. Он обладает высоким входным сопротивлением благодаря последовательной ООС по напряжению. Это позволяет исключить потери полезного сигнала вследствие шунтирования колебательного контура L2C5 входным сопротивлением усилителя. Коэффициент усиления первого каскада по напряжению составляет: Кu =(R9/R8) + 1 = 34. Цепь коррекции ОУ D5.1 состоит из корректирующего конденсатора С6 емкостью 33 (пФ).
Второй каскад приемного усилителя выполнен на ОУ D5.2 с параллельной ООС по напряжению. Входное сопротивление второго каскада: Rвх = R10 = 10(к0м) - не так критично, как первого, ввиду низкоомности его источника сигнала. Разделительный конденсатор С7 не только предотвращает накапливание статической погрешности по каскадам усилителя, но и корректирует его ФЧХ. Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы создаваемое цепочкой C7R10 опережение по фазе на рабочей частоте 8(кГц) компенсировало запаздывание по фазе, вызванное конечным быстродействием ОУ D5.1 и D5.2.
Второй каскад приемного усилителя, благодаря своей схеме, позволяет легко осуществить суммирование (подмешивание) сигнала от схемы компенсации через резистор R11. Коэффициент усиления второго каскада по напряжению полезного сигнала составляет: Кu = - R12/R10 = -33, а по напряжению компенсирующего сигнала: Кuк = -R12/R11» -4. Цепь коррекции ОУ D5.2 состоит из корректирующего конденсатора С8 емкостью 33(пФ).
Схема компенсации
Вьшолнена на ОУ D3.2 и представляет собой инвертор с Кu = - R7/R5 = -1. Регулировочный потенциометр R6 включен между входом и выходом этого инвертора и позволяет снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1,+1] от выходного напряжения ОУ D3.1. Выходной сигнал схемы компенсации с движка регулировочного потенциометра R6 поступает на компенсирующий вход второго каскада приемного усилителя (на резистор R11). Регулировкой потенциометра R6 добиваются нулевого значения на выходе синхронного детектора, что приблизительно соответствует компенсации проникшего в приемную катушку нежелательного сигнала. Цепь коррекции ОУ D3.2 состоит из корректирующего конденсатора С4 емкостью 33 (пФ).
Синхронный детектор
Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепочки и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе многофункционального коммутатора D4, выполненного по интегральной технологии с комплементарными полевыми транзисторами как в качестве управляющих дискретных вентилей, так и в качестве аналоговых ключей. Коммутатор работает в качестве аналогового переключателя. С частотой 8(кГц) он поочередно замыкает на общую шину выходы "треугольника" интегрирующей цепочки, состоящей из резисторов R13 и R14 и конденсатора С10. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика.
Сигнал на вход "треугольника" интегрирующей цепочки поступает через разделительный конденсатор С9 с выхода приемного усилителя. Постоянная времени интегрирующей цепочки t» R13·C10 = R14·C10. Она должна быть, с одной стороны, как можно больше, чтобы как можно сильнее ослабить влияние шумов и помех. С другой стороны, она не должна превышать некоторый предел, когда инерционность интегрирующей цепочки препятствует отслеживанию быстрых изменений амплитуды полезного сигнала.
Наибольшую скорость изменения амплитуды полезного сигнала можно охарактеризовать некоторым минимальным временем, за которое может произойти это изменение (от установившегося значения до максимального отклонения) при движении датчика металлоискателя относительно металлического предмета. Очевидно, что максимальная скорость изменения амплитуды полезного сигнала будет наблюдаться при максимальной скорости движения датчика. Она может достигать 5(м/с) для "маятникового" движения датчика на штанге. Время изменения амплитуды полезного сигнала можно оценить как отношение базы датчика к скорости движения. Положив минимальное значение базы датчика, равное 0,2(м), получим минимальное время изменения амплитуды полезного сигнала 40(мс). Это в несколько раз больше, чем постоянная времени интегрирующей цепочки при выбранных номиналах резисторов R13, R14 и конденсатора С10. Следовательно, инерционность интегрирующей цепочки не исказит динамику даже самых быстрых из всех возможных изменений амплитуды полезного сигнала от датчика металлоискателя.
Выходной сигнал интегрирующей цепочки снимается с конденсатора С 10. Так как у последнего обе обкладки находятся под "плавающими потенциалами", УПС представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на ОУ D6. Помимо усиления постоянного сигнала, УПС выполняет функцию фильтра нижних частот (ФНЧ), дополнительно ослабляющего нежелательные высокочастотные компоненты на выходе синхронного детектора, связанные, в основном, с неидеальностью балансного модулятора. ФНЧ реализуется благодаря конденсаторам С 11, С 13. В отличие от остальных узлов металлоискателя, ОУ УПС по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. В первую очередь, это относится к величине входного тока, величине напряжения смещения и величине температурного дрейфа напряжения смещения. Удачным вариантом, сочетающим хорошие параметры и относительную доступность, является ОУ типа К140УД14 (или КР140УД1408). Цепь коррекции ОУ D6 состоит из корректирующего конденсатора С12 емкостью 33 (пФ).
Нелинейный усилитель
Выполнен на ОУ D7.1 с нелинейной ООС по напряжению. Нелинейная ООС реализована двухполюсником, состоящим из диодов VD1-VD8 и резисторов R20-R24. Амплитудная характеристика нелинейного усилителя приближается к логарифмической. Она представляет собой кусочно-линейную, с 4-мя точками излома для каждой полярности, аппроксимацию логарифмической зависимости. Благодаря плавной форме вольтамперных характеристик диодов амплитудная характеристика нелинейного усилителя сглажена в точках излома. Малосигнальный
Рис.19. Принципиальная электрическая схема блока индикации металлоискателя по принципу "передача-прием ".
коэффициент усиления нелинейного усилителя по напряжению составляет: Кuк = -(R23+R24)/R19 » -100. С ростом амплитуды входного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Дифференциальный коэффициент усиления для большого сигнала составляет: дUвых/дUвх = - R24/R19 = -1. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор - микроамперметр с последовательно включенным добавочным резистором R25. Так как напряжение на выходе синхронного детектора может иметь любую полярность (в зависимости от сдвига фазы между его опорным и входным сигналами), использован микроамперметр с нулем в середине шкалы. Таким образом, стрелочный прибор имеет диапазон индикаций -100 ... 0... +100(мкА). Цепь коррекции ОУ D7.1 состоит из корректирующего конденсатора С 18 емкостью 33(пФ).
Ограничитель по минимуму
Реализован на ОУ D7.2 с нелинейной параллельной ООС по напряжению Нелинейность заключена во входном двухполюснике и состоит из двух встречно-параллельно включенных диодов VD9, VD10 и резистора R26.
Формирование звукового сигнала индикации из выходного сигнала нелинейного усилителя начинается с еще одной корректировки амплитудной характеристики усилительного тракта. В данном случае формируется зона нечувствительности в области малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих некоторый порог. Этот порог определяется прямым напряжением диодов VD9, VD10 и составляет около 0,5(В). Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, отсекаются и не раздражают слух.
Малосигнальный коэффициент усиления ограничителя по минимуму равен нулю. Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению для большого сигнала составляет: дUвых/дUвх = - R27/R26 = -1. Цепь коррекции ОУ D7.2 состоит из корректирующего конденсатора С 19 емкостью 33(пФ).
Балансный модулятор
Сигнал звуковой индикации формируется следующим образом. Постоянный или медленно меняющийся сигнал на выходе ограничителя по минимуму перемножается на опорный сигнал звуковой индикации. Опорный сигнал задает форму для звукового сигнала, а выходной сигнал ограничителя по минимуму - амплитуду. Перемножение двух сигналов осуществляется с помощью балансного модулятора. Он реализован на многофункциональном коммутаторе D11, работающем в качестве аналогового ключа, и ОУ D8.1. Коэффициент передачи устройства равен +1 при разомкнутом ключе и -1 - при замкнутом. Цепь коррекции ОУ D8.1 состоит из корректирующего конденсатора С20 емкостью 33(пФ).
Формирователь опорного сигнала звуковой индикации
Реализован на двоичном счетчике D9 и счетчикедешифраторе D10. Счетчик D9 делит частоту 8(кГц) с выхода кольцевого счетчика до частоты 2(кГц) и 32(Гц). Сигнал с частотой 2(кГц) поступает на младший разряд адреса А0 многофункционального коммутатора D11, задавая таким образом тональный сигнал с наиболее чувствительной для человеческого уха частотой. Этот сигнал будет воздействовать на аналоговый ключ балансного модулятора только в том случае, когда на старшем разряде адреса А1 многофункционального коммутатора D11 будет присутствовать логическая единица. При логическом нуле на А1 аналоговый ключ балансного модулятора все время разомкнут.
Сигнал звуковой индикации формируется прерывистым, чтобы меньше утомлялся слух. Для этого используется счетчик-дешифратор D10, который управляется тактовой частотой 32(Гц) с выхода двоичного счетчика D9 и формирует на своем выходе прямоугольный сигнал с частотой 8(Гц) и соотношением длительности логической единицы и логического нуля, равным 1/3. Выходной сигнал счетчикадешифратора D10 поступает на старший разряд адреса А1 многофункционального коммутатора D11, периодически прерывая формирование тональной посылки в балансном модуляторе.
Усилитель пьезоизлучателя
Реализован на ОУ D8.2. Он представляет собой инвертор с коэффициентом усиления по напряжению Кu = -1. Нагрузка усилителя - пьезоизлучатель - включена по мостовой схеме между выходами ОУ D8.1 и D8.2. Это позволяет в два раза увеличить амплитуду выходного напряжения на нагрузке. Выключатель S предназначен для отключения звуковой индикации (например, при настройке). Цепь коррекции ОУ D8.2 состоит из корректирующего конденсатора С21 емкостью 33 (пФ).
Рис.18. Принципиальная электрическая схема входного блока металлоискателя по принципу "передача-прием "
Рис.19. Принципиальная электрическая схема блока индикации металлоискателя по принципу "передача-прием ".
6.1.3.Типы деталей и конструкция
6.1.3.Типы деталей и конструкция
Типы используемых микросхем приведены в таблице. Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К 1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К 176 и зарубежные аналоги.
Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К 15 7 можно заменить любыми сходными по параметрам одиночными ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколёвке и цепях коррекции), хотя применение сдвоенных ОУ удобнее (возрастает плотность монтажа). ОУ синхронного детектора D6, как уже указывалось выше, по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. Кроме типа, указанного в таблице, подойдут К140УД14, 140УД14. Возможно применение ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 в соответствующей схеме включения.
Таблица. Используемые микросхемы.
|
Обозначение по рис.18, рис.19 |
Тип |
Функциональное назначение |
|
D1 |
К561ЛА7 |
4 эл-та 2И-НЕ |
|
D2 |
К561ТМ2 |
2 D-триггера |
|
D3, D5, D7, D8 |
К157УД2 |
сдвоенный ОУ |
|
D4,D11 |
К561КП1 |
2 коммутатора 4 на 1 |
|
D6 |
КР140УД1408 |
точный ОУ |
|
D9 |
К561ИЕ10 |
2 двоичн. счетчика |
|
D10 |
К561ИЕ9 |
счетчик-дешифратор |
К применяемым в схеме металлоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125 - 0,25(Вт).
Потенциометр компенсации R6 желателен многооборотный типа СП5-44 или с нониусной подстройкой типа СП5-35. Можно обойтись и обычными потенциометрами любых типов. В этом случае желательно их использовать два. Один - -для грубой подстройки, номиналом 10(к0м), включенный в соответствии со схемой. Другой - для точной подстройки, включенный по схеме реостата в разрыв одного из крайних выводов первого потенциометра, номиналом 0,5-1(к0м).
Конденсаторы С 15, С 17 - электролитические. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и др. малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсаторов колебательных контуров приемной и излучающей катушек, - керамические типа К 10-7 (до номинала 68(нФ)) и металлопленочные типа К73-17 (номиналы выше 68(нФ)). Конденсаторы контуров - С2 и С5 - особые. К ним предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Каждый конденсатор состоит из нескольких (5...10 шт.) конденсаторов, включенных в параллель. Настройка контуров в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К 10-43. Их группа по термостабильности - МПО (т.е. приблизительно нулевой ТКЕ). Возможно применение прецизионных конденсаторов и других типов, например, К71-7. В конце концов, можно попытаться использовать старинные термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или полистирольные конденсаторы.
Диоды VD1-VD10 типа КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные.
Микроамперметр - любого типа на ток 100(мкА) с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247.
Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).
Выключатель питания - любого типа малогабаритный. Батареи питания - типа 3R12 - по международному обозначению, "квадратные" - по нашему.
Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа 3П1...3П18. Хорошие результаты получаются при использовании пьезоизлучателей импортных телефонов (идут в огромных количествах "в отвал" при изготовлении телефонов с определителем номера).
Конструкция прибора может быть достаточно произвольной. При ее разработке желательно учесть рекомендации, изложенные ниже, а также в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов.
Внешний вид прибора приведен на рис.20.
Рис.20. Конструкция металлоискателя по принципу "передача-прием ". Общий вид.
По своему типу датчик предлагаемого металлоискателя относится к датчикам с перпендикулярными осями. Катушки датчика склеены из стеклотекстолита эпоксидным клеем. Этим же клеем залиты обмотки катушек вместе с арматурой их электрических экранов. Штанга металлоискателя изготовлена из трубы из алюминиевого сплава (АМГЗМ, АМГ6М или Д16Т) диаметром 48 мм и с толщиной стенки 2-3 мм. Катушки приклеены к штанге эпоксидным клеем. Соосная (излучающая) - с помощью переходной усиливающей втулки, перпендикулярная к оси штанги (приемная) - с помощью подходящей формы переходника. Указанные вспомогательные детали изготовлены также из стеклотекстолита. Корпус электронного блока изготовлен из фольгированного стеклотекстолита путем пайки. Соединения катушек датчика с электронным блоком выполнены экранированным проводом с внешней изоляцией и проложены внутри штанги. Экраны этого провода подключены только к шине общего провода на плате электронной части прибора, куда также подключаются экран корпуса в виде фольги и штанга. Снаружи прибор покрашен нитроэмалью.
Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена любым из традиционных способов, удобно также использовать готовые макетные печатные платы под DIP корпуса микросхем (шаг 2,5 мм).
Рис.20. Конструкция металлоискателя по принципу "передача-прием ". Общий вид.
6.1.4. Налаживание прибора
6.1.4. Налаживание прибора
Налаживание прибора рекомендуется производить в следующей последовательности.
1. Проверить правильность монтажа по принципиальной схеме. Убедиться в отсутствии коротких замыканий между соседними проводниками печатной платы, соседними ножками микросхем и т.п.
2. Подключить батареи или двуполярный источник питания, строго соблюдая полярность. Включить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 20(мА) по каждой шине питания. Резкое отклонение измеренных значений от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.
3. Убедиться в наличии на выходе генератора чистого меандра с частотой около 32(кГц).
4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2 меандра с частотой около 8(кГц).
5. Подбором конденсатора С2 настроить выходной контур L1C2 в резонанс. В простейшем случае - по максимуму амплитуды напряжения на нем (около 10(В)), а более точно - по нулевому фазовому сдвигу напряжения контура относительно меандра на выходе 12 триггера D2.
6. Убедиться в работоспособности приемного усилителя. Настроить его входной колебательный контур L2C5 в резонанс. В качестве входного сигнала вполне достаточно паразитного сигнала, проникающего из излучающей катушки. Настройка в резонанс, как и для выходного контура, осуществляется подпайкой или удалением необходимого количества конденсаторов подходящих номиналов.
7. Убедиться в возможности компенсации паразитного сигнала потенциометром R6. Для этого сначала осциллографом контролируют выход ОУ D5.2. При вращении оси потенциометра R6 амплитуда сигнала с частотой 8(кГц) на выходе ОУ D5.2 должна меняться и в одном из средних положений движка R6 эта амплитуда будет минимальна. Далее следует проконтролировать выход синхронного детектора - выход ОУ D6. При вращении оси потенциометра R6 величина постоянного сигнала на выходе ОУ D6 должна меняться от максимального значения +3,5(В) до минимального -3,5(В) или наоборот. Переход этот достаточно резкий и чтобы его "поймать", как раз и удобно воспользоваться возможностями точной подстройки, упомянутой выше. Настройка заключается в установлении с помощью потенциометра R6 напряжения на выходе ОУ D6, равного нулю. Внимание! Настройку потенциометром R6 необходимо проводить при отсутствии вблизи катушек датчика металлоискателя крупных металлических предметов, включая измерительные приборы! В противном случае, при перемещении этих предметов или при перемещении датчика относительно них прибор расстроится, а при наличии крупных металлических предметов вблизи датчика установить выходное напряжение синхронного детектора в ноль не удастся. О компенсации см. также ниже в параграфе о возможных модификациях.
8. Убедиться в работе нелинейного усилителя. Простейший способ - визуально. Микроамперметр должен реагировать на процесс настройки, производимой потенциометром R6. При некотором положении движка R6 стрелка микроамперметра должна установиться в ноль. Чем дальше стрелка микроамперметра находится от нуля, тем слабее должен реагировать микроамперметр на вращение движка R6.
Внимание !!!
Может так оказаться, что неблагоприятная электромагнитная обстановка затруднит наладку прибора. В этом случае стрелка микроамперметра будет совершать хаотические или периодические колебания при приближении движка потенциометра R6 к тому положению, в котором должна иметь место компенсация сигнала. Описанное нежелательное явление объясняется наводками высших гармоник сети 50(Гц) на приемную катушку. На значительном удалении от проводов с электричеством колебания стрелки при настройке должны отсутствовать.
9. Убедиться в работоспособности узлов, формирующих звуковой сигнал. Обратить внимание на наличие небольшой зоны нечувствительности по звуковому сигналу вблизи нуля по шкале микроамперметра.
При наличии неполадок и отклонений в поведении отдельных узлов схемы металлоискателя следует действовать по общепринятой методике:
- проверить отсутствие самовозбуждения ОУ,
- проверить режимы ОУ по постоянному току,
- сигналы и логические уровни входов/выходов цифровых микросхем, и т.д. и т.п.
6.1.5. Возможные модификации
6.1.5. Возможные модификации
Схема прибора достаточно проста и поэтому речь может идти только о дальнейших усовершенствованиях. К ним можно отнести:
1. Добавление дополнительного потенциометра компенсации R6*, включенного параллельно R6 по крайним выводам. Движок этого потенциометра подключается через конденсатор емкостью 510(пФ) (необходимо уточнить экспериментально) к инвертирующему входу 5 ОУ D5.2. В такой конфигурации будет две степени свободы при компенсации паразитного сигнала (по синусу и по косинусу), что может помочь настройке прибора при эксплуатации со значительными температурными перепадами датчика, при высокой минерализации грунта и т.д.
2. Добавление дополнительного канала визуальной индикации, содержащего синхронный детектор, нелинейный усилитель и микроамперметр. Опорный сигнал синхронного детектора дополнительного канала берется со сдвигом на четверть периода относительно опорного сигнала основного канала (с любого выхода другого триггера кольцевого счетчика). Обладая некоторым опытом поиска, можно по показаниям двух стрелочных приборов научиться оценивать характер обнаруженного объекта, т.е. работать не хуже электронного дискриминатора.
3. Добавление защитных диодов, включенных в обратной полярности параллельно источникам питания. При ошибке в полярности включения батарей в этом случае гарантируется, что схема металлоискателя не пострадает (хотя, если вовремя не среагировать, полностью разрядится неправильно включенная батарея). Включать диоды последовательно с шинами питания не рекомендуется, так как в этом случае на них пропадет впустую 0,3- 0,6(В) драгоценного напряжения источников питания. Тип защитных диодов - КД243, КД247, КД226 и т.п.
6.2 Металлоискатель на биениях
6.2 МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ НА БИЕНИЯХ
Предлагаемый металлоискатель предназначен для "ближнего" поиска предметов. Он собран по простейшей схеме. Прибор компактен и несложен в изготовлении. Глубина обнаружения составляет:
- монета 0,25мм............5 (см)
- пистолет....................10 (см)
- каска..........................20 (см)
6.2.1. Структурная схема
6.2.1. Структурная схема
Структурная схема изображена на рис.21. Она состоит из нескольких функциональных блоков. Кварцевый генератор является источником прямоугольных импульсов стабильной частоты. К измерительному генератору подключен колебательный контур, в состав которого входит датчик - катушка индуктивности. Выходные сигналы обоих генераторов поступают на входы синхронного детектора, который на своем выходе формирует сигнал разностной частоты. Этот сигнал имеет приблизительно пилообразную форму. Для удобства дальнейшей обработки сигнал синхронного детектора преобразуется с помощью триггера Шмидта в сигнал прямоугольной формы. Устройство индикации предназначено для формирования звукового сигнала разностной частоты с помощью пьезоизлучателя и для визуального отображения величины этой частоты с помощью светодиодного индикатора.
Рис.21. Структурная схема металлоискателя на биениях
Рис.21. Структурная схема металлоискателя на биениях
6.2.2. Принципиальная схема
6.2.2. Принципиальная схема
Принципиальная схема разработанного автором металлоискателя на биениях изображена на рис.22.
Кварцевый генератор
Имеет схему, аналогичную со схемой генератора металлоискателя по принципу "передача-прием", но реализованную на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2^l5(Гц) » 32(кГц) ("часовой кварц"). Цепочка R1C2 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током от источника питания, надежно работает при напряжении питания 3-15 (В),
Рис.22. Принципиальная электрическая схема металлоискателя на биениях.
не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора около 32(кГц). Дополнительный счетный триггер D2.1 необходим для формирования сигнала со скважностью, в точности равной 2, что требуется для последующей схемы синхронного детектора.
Измерительный генератор
Непосредственно генератор реализован на дифференциальном каскаде на транзисторах VT1, VT2. Цепь ПОС реализована гальванически, что упрощает схему. Нагрузкой дифференциального каскада является колебательный контур L1C1. Частота генерации зависит от резонансной частоты колебательного контура и, в некоторой степени, от режимного тока дифференциального каскада. Этот ток задается резисторами R3 и R3'. Подстройка частоты измерительного генератора при настройке прибора осуществляется грубо - подбором емкости С1 и плавно - регулировкой потенциометром R3'.
Для преобразования низковольтного выходного сигнала дифференциального каскада к стандартным логическим уровням цифровых КМОП - микросхем служит каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT3. Формирователь с триггером Шмидта на входе на элементе D3.1 обеспечивает крутые фронты импульсов для нормальной работы последующего счетного триггера.
Дополнительный счетный триггер D2.2 необходим для формирования сигнала со скважностью, в точности равной 2, что требуется для последующей схемы синхронного детектора.
Синхронный детектор
Состоит из перемножителя, реализованного на элементе D4.1 "Исключающее ИЛИ" и интегрирующей цепочки R6C4. Его выходной сигнал близок по форме к пилообразному, а частота этого сигнала равна разности частот кварцевого генератора и измерительного генератора.
Триггер Шмидта
Реализован на элементе D3.2 и формирует прямоугольные импульсы из пилообразного напряжения синхронного детектора.
Устройство индикации
Является просто мощным буферным инвертором, реализованным на трех оставшихся инверторах D1.4-D1.6, включенных в параллель для увеличения нагрузочной способности. Нагрузкой устройства индикации являются светодиод и пьезоизлучатель.
Рис.22. Принципиальная электрическая схема металлоискателя на биениях.
6.2.3.Типы деталей и конструкция
6.2.3.Типы деталей и конструкция
Типы используемых микросхем приведены в таблице.
Таблица.
|
Обозначение по рис.22 |
Тип |
Функциональное назначение |
|
D1 |
К561ЛН2 |
6 инверторов |
|
D2 |
К561ТМ2 |
2 D-триггера |
|
D3 |
К561ТЛ1 |
4 эл-та 2И-НЕ с триг. Шмидта на входах |
|
D4 |
К561ЛП2 |
4 эл-та "Исключающее или" |
Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К 176. Входы неиспользуемых элементов цифровых микросхем нельзя оставлять неподключенными! Их следует соединить либо с общей шиной, либо с шиной питания.
Транзисторы VT1, VT2 являются элементами интегральной транзисторной сборки типа К159НТ1 с любой буквой. Их можно заменить на дискретные транзисторы с npn проводимостью типов КТ315, КТ312 и т.п. Транзистор VT3 - типа КТ361 с любой буквой или аналогичного типа с pnp проводимостью.
К применяемьш в схеме металлоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125-0,25(Вт).
Потенциометр компенсации R3' желателен многооборотный типа СП5-44 или с нониусной подстройкой типа СП5-35. Можно обойтись и обычными потенциометрами любых типов. В этом случае желательно их использовать два последовательно включенных. Один - для грубой подстройки, номиналом 1(кОм). Другой - для точной подстройки, номиналом 100(Ом).
Катушка индуктивности L1 имеет внутренний диаметр намотки 1б0(мм), содержит 100 витков провода. Тип провода - ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО и т.п. Диаметр провода 0,2- 0,5(мм). О конструкции катушки см. отдельный параграф ниже.
Конденсатор С3 - электролитический. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и др. малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсатора колебательного контура катушки измерительного генератора, - керамические типа К10-7 и т.п. Конденсатор контура С1 особый. К нему предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Конденсатор состоит из нескольких (5...10 шт.) отдельных конденсаторов, включенных в параллель. Грубая настройка контура на частоту кварцевого генератора осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К 10-43. Их группа по термостабильности - МП0 (т.е. приблизительно нулевой ТКЕ). Возможно применение прецизионных конденсаторов и других типов, например, К71-7. В конце концов, можно попытаться использовать термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или полистирольные конденсаторы.
Светодиод VD1 типа АЛ336 или аналогичный с высоким КПД. Подойдет и любой другой светодиод видимого диапазона излучения.
Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).
Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа 3П1...3П18. Хорошие результаты получаются при использовании пьезоизлучателей импортных телефонов (идут в огромных количествах "в отвал" при изготовлении телефонов с определителем номера).
Конструкция прибора может быть достаточно произвольной. При ее разработке желательно учесть рекомендации, изложенные ниже в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов.
Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена любым из традиционных способов, удобно также использовать готовые макетные печатные платы под DIP корпуса микросхем (шаг 2,5 мм).
6.2.4. Налаживание прибора
6.2.4. Налаживание прибора
Налаживание прибора рекомендуется производить в следующей последовательности.
1. Проверить правильность монтажа по принципиальной схеме. Убедиться в отсутствии коротких замыканий между соседними проводниками печатной платы, соседними ножками микросхем и т.п.
2. Подключить батарею или источник питания 9(В), строго соблюдая полярность. Включить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 10(мА). Резкое отклонение от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.
3. Убедиться в наличии на выходе кварцевого генератора и на выходе элемента D3.1 чистого меандра с частотой около 32(кГц).
4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2.1 и D2.2 сигналов с частотами около 16(кГц).
5. Убедиться в наличии на входе элемента D3.2 пилообразного напряжения разностной частоты, а на его выходе- прямоугольных импульсов.
6. Убедиться в работоспособности устройства индикации - визуально и на слух.
6.2.5. Возможные модификации
6.2.5. Возможные модификации
Схема прибора предельно проста и поэтому речь может идти только о дальнейших усовершенствованиях. К ним можно отнести:
1. Добавление дополнительного светодиодного логарифмического индикатора частоты.
2. Использование трансформаторного датчика в измерительном генераторе.
Рассмотрим эти модификации подробнее.
Логарифмический индикатор частоты
Представляет собой усовершенствованный светодиодный индикатор. Его шкала состоит из восьми отдельных светодиодов. При достижении измеряемой частотой некоторого порога, на шкале загорается соответствующий светодиод, остальные семь - не горят. Особенность индикатора заключается в том, что пороги срабатывания по частоте для соседних светодиодов отличаются друг от друга в два раза. Иными словами, шкала индикатора имеет логарифмическую градуировку, что очень удобно для такого прибора, как металлоискатель на биениях. Принципиальная схема логарифмического индикатора частоты приведена на рис.23. Несмотря на то, что схема этого индикатора была разработана
Рис.23. Принципиальная электрическая схема логарифмического индикатора.
автором самостоятельно, она не претендует на оригинальность, так как проведенный патентный поиск показал, что подобные схемы известны. Тем не менее, как сама схема индикатора, так и ее реализация на отечественной элементной базе представляет, по мнению автора, определенный интерес.
Работает логарифмический индикатор следующим образом. На вход индикатора поступает сигнал с выхода триггера Шмидта схемы металлоискателя на биениях (см. рис.22). Этот сигнал является входным для двоичных счетчиков D5.1-D5.2 (нумерация продолжает нумерацию по схеме рис.22). Указанные счетчики периодически обнуляются по сигналу высокого уровня вспомогательного генератора на триггере Шмидта D3.3 с частотой около 10(Гц). По переднему фронту сигнала вспомогательного генератора происходит также запись состояния счетчиков в параллельные четырехразрядные регистры D6 и D7. Таким образом, на выходах регистров D6 и D7 присутствует цифровой код частоты сигнала биений. Преобразовать этот код в логарифмическую шкалу возможно достаточно просто (и в этом "изюминка" данной схемы), если зажигание соответствующего светодиода шкалы поставить в соответствие появлению единицы в определенном разряде кода частоты при всех нулях в более старших разрядах кода.
Очевидно, что данную задачу должна выполнять комбинационная схема. Самая простая реализация такой схемы представляет собой периодически повторяющиеся звенья из элементов "ИЛИ". В практической схеме использованы элементы "ИЛИ-НЕ" D8, D9 совместно с мощными буферными инверторами D10, D11. На выходе схемы получается логический сигнал управления светодиодами шкалы в виде "волны единиц". С точки зрения экономии батареи питания, конечно, более целесообразно организовать шкалу не в виде светящегося столбика светодиодов (до 8 шт. одновременно), а в виде перемещающейся точки из одного светящегося светодиода. Для этого светодиоды индикаторной линейки включены между выходами комбинационной схемы.
Для очень низких значений частоты, по-прежнему, более пригодна индикация в виде мигающего светодиода. В предлагаемой схеме он совмещен с началом светодиодной шкалы и гаснет, как только загорится следующий ее сегмент. Выбором элементов R8, С5 можно менять значение частоты вспомогательного генератора, изменяя таким образом предел шкалы по частоте.
Типы деталей и конструкция
Типы используемыхмикросхем приведены в таблице.
Таблица.
|
Обозначение по рис.23 |
Тип |
Функциональное назначение |
|
D3 |
К561ТЛ1 |
4 эл-та 2И-НЕ с триг. Шмидта на входах |
|
D5 |
К561ИЕ10 |
2 Двоичн. счетчика |
|
D6,D7 |
К561ИР9 |
4-х разрядный регистр |
|
D8,D9 |
К561ЛЕ5 |
4 эл-та 2ИЛИ-НЕ |
|
D10,D11 |
К561ЛН2 |
6 инверторов |
Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К 1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К 176. Разводка цепей питания и нумерация выводов для микросхем D8-D11 для простоты условно не показана.
Светодиоды VD2- VD9 типа АЛЗЗб или аналогичные с высоким КПД. Их токозадающие резисторы R9-R17 имеют одинаковый номинал 1,0...5,1(к0м). Чем меньше сопротивление указанных резисторов, тем ярче будут светиться светодиоды. Однако, при этом может не хватить нагрузочной способности микросхем К561ЛН2. В данном случае рекомендуется использовать параллельно включенные выходные инверторы в схеме индикатора. Удобнее всего организовать это параллельное включение путем простого припаивания дополнительных однотипных корпусов микросхем (до 4-х штук) поверх каждой из установленных в схему микросхем К561ЛН2.
Дальнейшие усовершенствования с индикатором частоты
Предложенный выше логарифмический индикатор частоты является по сути некоторой разновидностью цифрового частотомера. Перспективное направление усовершенствования металлоискателей на биениях, подсказанное одним из читателей книги, связано с использованием частотомера для регистрации небольших отклонений частоты. Если идти в данном направлении, то общая схема предложенного металлоискателя на биениях претерпит существенные изменения. Отпадает надобность в формировании разностного сигнала двух частот. Достаточно от схемы (рис. 22) оставить только измерительный генератор, выходной сигнал которого подавать на вход логарифмического индикатора. В данном случае индикатор оценивает значение младших разрядов двоичного кода частоты измерительного генератора.
Важная особенность данного способа построения металлоискателя на биениях заключается в отсутствии опорного генератора, частота которого близка к частоте измерительного генератора. Иными словами, в гораздо меньшей степени проявляется явление паразитной автосинхронизации. Следовательно, можно повысить чувствительность прибора.
Определенным неудобством металлоискателей на биениях является постоянная необходимость подстройки измерительного генератора вследствие изменения параметров датчика и влияния других дестабилизирующих факторов. Следующим прогрессивным усовершенствованием рассматриваемых приборов может являться применение системы медленной автоматической подстройки частоты (АПЧ). АПЧ должна быть настолько медленной, чтобы быстрые изменения частоты измерительного генератора, вызванные движением датчика относительно мишени, приводили к появлению полезного сигнала на индикаторе. Медленный же температурный дрейф частоты данной системой АПЧ должен полностью компенсироваться. Описание принципов построения систем АПЧ выходит за рамки настоящей книги, поэтому данный вопрос предлагается заинтересованному читателю для самостоятельного изучения.
Трансформаторный датчик
Идея трансформаторного датчика для металлоискателей проста и изящна. Она известна давно и возникла из-за стремления упростить конструкцию катушки датчика металлоискателя. Обычным недостатком типового датчика металлоискателя любой конструкции является большое (более 100) количество витков катушки. Вследствие этого получается недостаточная жесткость конструкции датчика, что требует принятия специальных мер типа дополнительных каркасов, заливки эпоксидной смолой и т.д. Кроме того, паразитная емкость такой катушки велика и для устранения ложных сигналов из-за емкостной связи катушки (катушек) с землей и телом оператора обязательно экранирование обмоток.
Путь устранения перечисленных недостатков прост и очевиден - необходимо использовать катушку, состоящую из минимального количества витков - из одного витка! Естественно, "в лоб" такое решение не проходит, так как ничтожная индуктивность одного витка потребовала бы гигантских по величине емкости конденсаторов колебательных контуров, генераторов сигналов с огромным выходным током и специальных ухищрений по обеспечению высокой добротности. И здесь самое время вспомнить о существовании устройства, предназначенного для согласования импедансов, для преобразования переменных сигналов большого напряжения с малым током в сигналы малого напряжения с большим током и наоборот - о трансформаторе.
В самом деле, возьмем трансформатор с коэффициентом трансформации около сотни и подключим его понижающую обмотку к одному витку, являющемуся датчиком металлоискателя, а повышающую обмотку - в схему металлоискателя вместо катушки индуктивности. Конструктивно один виток такого трансформаторного датчика может быть выполнен самыми различными способами. Например, он может представлять собой кольцо из медного или алюминиевого одножильного провода сечением 6-10 мм^2 для меди и 10-35 мм^2 для алюминия. Удобны для использования внутренние жилы силовых кабелей. Можно для уменьшения массы и увеличения жесткости изготовить виток из металлической трубки. Возможно изготовление витка из фольги путем наклейки на листовой материал и даже из обычного фольгированного стеклотекстолита. В любом удобном месте виток заземляется путем подключения к общей шине прибора, чем обеспечивается компенсация паразитных емкостных связей. Влияние этих связей при данной конструкции датчика на несколько порядков меньше ввиду меньшего значения модуля полного сопротивления одного витка.
Трансформаторный датчик позволяет реализовать складную конструкцию компактного металлоискателя на биениях. Ее эскиз изображен на рис.24.
Рис.24. Конструкция металлоискателя на биениях со складывающейся рамкой датчика.
Трансформатор датчика выполнен на тороидальном сердечнике, установленном непосредственно на плате металлоискателя, размещенной в пластмассовом корпусе. Понижающая обмотка трансформатора и виток датчика конструктивно представляют собой единое целое в виде прямоугольной рамки из медного изолированного одножильного провода сечением 6 мм^2, замкнутого с помощью пайки. Указанная рамка имеет возможность вращаться. В сложенном положении она расположена по периметру корпуса прибора и не занимает лишнего места. В рабочем положении она разворачивается на 180°. Для того, чтобы рамка фиксировалась в установленном положении, используются уплотняющие втулки из резины.
Сечение проводника, из которого изготовлен виток трансформаторного датчика, должно быть не меньше, чем суммарное сечение всех витков, составляющих обычную катушку датчика металлоискателя. Это необходимо не только для придания конструкции необходимой прочности и жесткости, но и для того, чтобы получить не слишком низкую добротность у колебательного контура с таким трансформаторным аналогом катушки индуктивности (кстати, при использовании такого витка в качестве излучающей катушки, ток в нем может достигать десятков ампер!). По той же причине, необходим должный выбор сечения провода понижающей обмотки трансформатора. Он может иметь меньшее сечение, чем сечение проводника витка, но его омическое сопротивление должно быть не больше омического сопротивления витка.
Для уменьшения потерь за счет омического сопротивления необходимо очень тщательно выполнить соединение витка с понижающей обмоткой трансформатора. Рекомендуемый способ соединения - пайка (для медного витка) и сварка в среде инертного газа (для алюминиевого).
К трансформатору предъявляются следующие требования. Во-первых, он должен работать с малыми потерями на требуемой частоте. На практике это означает, что его сердечник должен быть сделан из низкочастотного феррита. Во-вторых, его обмотки не должны вносить заметного вклада в импеданс датчика. На практике это означает, что индуктивность понижающей обмотки должна быть заметно больше индуктивности витка. Для тороидальных ферритовых сердечников с магнитной проницаемостью m=2000 и диаметром более 30(мм) это справедливо даже для одного витка понижающей обмотки. В-третьих, коэффициент трансформации должен быть таким, чтобы индуктивность повышающей обмотки при подключенном к понижающей обмотке витке датчика была бы приблизительно такой же, как и у обычной катушки типового датчика.
К сожалению, преимущества трансформаторного датчика заметно превосходят его недостатки только для металлоискателей на биениях. Для более чувствительных приборов такой датчик неприменим из-за достаточно высокой чувствительности к механическим деформациям, что приводит к ложным сигналам, появляющимся при движении. Вот почему трансформаторный датчик рассматривается только в главе, посвященной металлоискателю на биениях.
Рис.23. Принципиальная электрическая схема логарифмического индикатора.
Рис.24. Конструкция металлоискателя на биениях со складывающейся рамкой датчика.
6.3 Однокатушечный индукционный металлоискатель
6.3 ОДНОКАТУШЕЧНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ
Предлагаемый металлоискатель индукционного типа универсален. Его датчик прост по конструкции и может быть изготовлен диаметром 0,1-1(м). Приблизительно пропорционально диаметру будет изменяться размер обнаруживаемых объектов и расстояние, на котором металлоискатель эти объекты обнаруживает. Для стандартного датчика диаметром 180(мм) глубина обнаружения составляет:
- монета Ж 25(мм) - 0,15(м)
- пистолет - 0,4(м)
- каска - 0,б(м)
Прибор снабжен простейшим дискриминатором, который позволяет отфильтровать сигналы от небольших железных предметов, если последние не представляют интереса для поиска.
6.3.1. Структурная схема
6.3.1. Структурная схема
Структурная схема изображена на рис.25. Она состоит из нескольких функциональных блоков. Кварцевый генератор является источником прямоугольных импульсов, из которых в дальнейшем формируется сигнал, поступающий на катушку датчика. Сигнал генератора делится по частоте на 4 с помощью кольцевого счетчика на триггерах. По кольцевой схеме счетчик выполнен для того, чтобы на его выходах можно было сформировать два сигнала Ф1 и Ф2,
Рис. 25. Структурная схема индукционного металлоискателя.
сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°, что необходимо для построения схемы дискриминатора. Прямоугольный сигнал (меандр) подается на вход первого интегратора, на выходе которого получается кусочно-линейное пилообразное напряжение. Второй интегратор делает из «пилы» сигнал, очень близко приближающийся по форме к синусоидальному и состоящий из полуволн параболической формы. Этот сигнал стабильной амплитуды поступает на усилитель мощности, который представляет собой преобразователь «напряжение-ток», нагруженный на катушку датчика. Напряжение датчика уже не является стабильным по амплитуде, так как зависит от сигнала, отраженного от металлических объектов. Абсолютная величина этой нестабильности весьма мала. Чтобы увеличить ее, то есть выделить полезный сигнал, в схеме компенсации происходит вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения на катушке датчика.
Внимание!!!
Здесь сознательно опускаются многие детали построения усилителя мощности, схемы компенсации и способа включения катушки датчика, делающие это описание более простым для понимания принципа работы прибора, хотя и не вполне корректным. Подробнее - см. описание принципиальной схемы.
Со схемы компенсации полезный сигнал поступает на приемный усилитель, где происходит его усиление по напряжению. Синхронные детекторы преобразуют полезный сигнал в медленно меняющиеся напряжения, величина и полярность которых зависит от сдвига отраженного сигнала по фазе относительно сигнала напряжения катушки датчика.
Иными словами, выходные сигналы синхронных детекторов являются не чем иным, как компонентами ортогонального разложения вектора полезного отраженного сигнала по базису векторов основных гармоник опорных сигналов Ф1 и Ф2.
В приемный усилитель неизбежно проникает часть бесполезного сигнала, не скомпенсированного схемой компенсации ввиду ее неидеальности. На выходах синхронных детекторов эта часть сигнала преобразуется в постоянные составляющие. Фильтры высокой частоты (ФВЧ) отсекают бесполезные постоянные составляющие, пропуская и усиливая только изменяющиеся компоненты сигналов, связанные с движением датчика относительно металлических предметов. Дискриминатор выдает управляющий сигнал для запуска формирователя звукового сигнала только при определенном сочетании полярностей сигналов на выходе фильтров, что исключает срабатывание звуковой индикации от мелких железных предметов, ржавчины и некоторых минералов.
Рис. 25. Структурная схема индукционного металлоискателя.
6.3.2. Принципиальная схема
6.3.2. Принципиальная схема
Принципиальная схема разработанного автором индукционного металлоискателя изображена на рис.26 - входная часть, рис.27 - синхронные детекторы и фильтры, рис.28 - дискриминатор и формирователь звукового сигнала, рис.29 - схема внешних соединений.
Кварцевый генератор (рис.26)
Собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2^15(Гц) » 32(кГц) ("часовой кварц"). Цепочка R1C2 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3-15(В), не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32(кГц).
Рис.26. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Входная часть.
Кольцевой счетчик (рис.26)
Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во- первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8(кГц) (рекомендации по выбору частоты - см. гл. 1.1). Во-вторых, он формирует два опорных сигнала для синхронных детекторов, сдвинутых друг относительно друга на 90° по фазе.
Кольцевой счетчик представляет собой два D-триггера D2.1 и D2.2, замкнутые в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал - общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90°) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2.
Интеграторы (рис.26)
Собраны на ОУ D3.1 и D3.2. Их постоянные времени определяются цепочками R3C6 и R5C9. Режим по постоянному току поддерживается резисторами R4, R6. Разделительные конденсаторы С 5, С 8 препятствуют накоплению статической погрешности, которая может вывести интеграторы из режима ввиду их большого усиления по постоянному току. Номиналы элементов, входящих в схемы интеграторов выбраны так, чтобы суммарный сдвиг фазы обоих интеграторов на рабочей частоте 8(кГц) составлял ровно 180° с учетом как основных RC-цепочек, так и с учетом влияния разделительных цепей и конечного быстродействия ОУ при выбранной коррекции. Цепи коррекции ОУ интеграторов - стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33(пФ).
Усилитель мощности (рис.26)
Собран на ОУ D4.2 с параллельной ООС по напряжению. Термокомпенсированный токозадающий элемент, состоящий из резисторов R71, R72 и терморезистора R73 (см. рис.29), включен между выходом второго интегратора и инвертирующим входом ОУ D4.2. Нагрузка усилителя, являющаяся одновременно элементом ООС, представляет собой колебательный контур, состоящий из катушки датчика L1 и конденсатора С61.
В нумерации резисторов и конденсаторов по схема рис.26 - рис.29 пропущены некоторые позиции, что связано с многочисленными модификациями схем индукционного металлоискателя и не является ошибкой.
Колебательный контур настроен в резонанс на четверть частоты кварцевого резонатора задающего генератора, то есть на частоту подаваемого на него сигнала. Модуль полного сопротивления колебательного контура на резонансной частоте составляет около 4(к0м). Параметры катушки датчика L1 таковы: число витков - 100, марка провода - ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО 0,3-0,5, средний диаметр и диаметр оправки для намотки - 165(мм). Катушка имеет экран из алюминиевой фольги, подключенный к общей шине прибора. Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, от экрана свободна небольшая часть, около 1(см), длины окружности обмотки катушки.
Элементы датчика R71 - R73 и L1, С61 подобраны так, чтобы: во-первых, были равны по величине напряжения на входе и на выходе усилителя мощности. Для этого необходимо, чтобы сопротивление цепочки R71 - R73 было равно модулю полного сопротивления колебательного контура L1, С61 на резонансной частоте 8(кГц), а точнее, 8192(Гц). Этот модуль сопротивления составляет, как уже говорилось, около 4(к0м) и его значение должно уточняться для конкретного датчика. Во-вторых, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) цепочки R71 - R73 должен совпадать по величине и по знаку с ТКС модуля полного сопротивления колебательного контура L1, С61 на резонансной частоте, что достигается: грубо - путем выбора номинала терморезистора R73, а точно - выбором соотношения R71 - R72 и достигается экспериментально при настройке.
Температурная нестабильность колебательного контура связана с нестабильностью, в первую очередь, омического сопротивления медного провода катушки. При росте температуры это сопротивление возрастает, что увеличивает потери в контуре и уменьшает его добротность. Поэтому модуль его полного сопротивления на резонансной частоте уменьшается.
Резистор R18 не играет в схеме принципиальной роли и служит для поддержания ОУ D4.2 в режиме при отключенной ответной части разъема XI. Цепь коррекции ОУ D4.2 - стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33 (пФ).
Схема компенсации (рис.26)
Ее основные элементы, которые реализуют вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения катушки датчика - это резисторы R15, R17 с одинаковой величиной сопротивления. С их общей точки соединения полезный сигнал поступает на приемный усилитель. Дополнительные элементы, благодаря которым достигается ручная настройка и подстройка прибора - это потенциометры R74, R75 (рис. 29). С этих потенциометров можно снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1, +1] от сигнала напряжения датчика (или практически равного ему по амплитуде выходного сигнала второго интегратора). Регулировкой указанных потенциометров достигается минимальный сигнал на входе приемного усилителя и нулевые сигналы на выходах синхронных детекторов.
Через резистор R16 часть выходного сигнала одного потенциометра подмешивается в схему компенсации непосредственно, а с помощью элементов R1 1-R14, С14-С16 - со сдвигом в 90° с выхода другого потенциометра.
ОУ D4.1 является основой компенсатора высших гармоник схемы компенсации. На нем реализован двойной интегратор с инверсией, постоянные времени которого задаются обычной для интегратора цепочкой параллельной ООС по напряжению R7C12, а также конденсатором С 16 со всеми окружающими его резисторами. На вход двойного интегратора поступает меандр с частотой 8(кГц) с выхода элемента D1.5. Через резисторы R8, R10 из меандра вычитается основная гармоника. Суммарное сопротивление этих резисторов составляет около 10(кОм) и подбирается экспериментально при настройке по минимуму сигнала на выходе ОУ D4.1. Оставшиеся на выходе двойного интегратора высшие гармоники поступают на схему компенсации в той же амплитуде, что и высшие гармоники, проникающие через основные интеграторы. Соотношение фаз таково, что на входе приемного усилителя высшие гармоники из указанных двух источников практически компенсируются.
Внимание !!!
Выход усилителя мощности не является дополнительным источником высших гармоник, так как высокая добротность колебательного контура (около 30) обеспечивает высокую степень подавления высших гармоник.
Высшие гармоники, в первом приближении, не влияют на нормальную работу прибора, даже если они многократно превосходят полезный отраженный сигнал. Тем не менее, их необходимо уменьшать, чтобы приемный усилитель не попал в режим ограничения, когда верхушки "коктейля" из высших гармоник на его выходе начинают обрезаться ввиду конечного значения напряжений питания ОУ. Такой переход усилителя в нелинейный режим резко снижает коэффициент усиления по полезному сигналу.
Элементы D1.4 и D1.5 предотвращают образование кольца паразитной ПОС через резистор R7 ввиду ненулевого значения выходного сопротивления выхода триггера D2.1. Попытка подключить резистор R7 напрямую к триггеру приводит к самовозбуждению схемы компенсации на низкой частоте.
Цепь коррекции ОУ D4.2 - стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33 (пФ).
Приемный усилитель (рис.26)
Приемный усилитель - двухкаскадный. Его первый каскад выполнен на ОУ D5.1 с параллельной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет: Кu = - R19/R17» -5. Второй каскад выполнен на ОУ D5.2 с последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления Ku = R21/R22 +1=6. Постоянные времени разделительных цепочек выбраны такими, чтобы на рабочей частоте создаваемый ими набег по фазе компенсировал запаздывание сигнала, обусловленное конечным быстродействием ОУ. Цепи коррекции ОУ D5.1 и D5.2 - стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33 (пФ).
Синхронные детекторы (рис.27)
Синхронные детекторы однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме. Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепочки и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе интегральной сборки аналоговых ключей D6.1 на полевых транзисторах. С частотой 8(кГц) аналоговые ключи поочередно замыкают на общую шину выходы "треугольника" интегрирующей цепочки, состоящей из резисторов R23 и R24 и конденсатора С23. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика. Этот сигнал является управляющим для аналоговых ключей.
Сигнал на вход "треугольника" интегрирующей цепочки поступает через разделительный конденсатор С21 с выхода приемного усилителя.
Рис.27. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Синхронные детекторы и фильтры.
Постоянная времени интегрирующей цепочки t»R23·C23 = R24·C23. Более подробно о схеме синхронного детектора можно прочитать в главе 4.1.
ОУ УПС D7 имеет стандартную цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ) для ОУ типа К140УД1408. В случае использования ОУ типа К140УД12 (с внутренней коррекцией) конденсатор коррекции не нужен, однако необходим добавочный токозадающий резистор R68 (показан пунктиром).
Фильтры (рис.27)
Фильтры однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме.
Как уже указывалось выше, по типу фильтр относится к ФВЧ. Кроме того, на него в схеме возложена роль дальнейшего усиления выпрямленного синхронным детектором сигнала. При реализации подобного рода фильтров в металлоискателях возникает специфическая проблема. Суть ее заключается в следующем. Полезные сигналы, поступающие с выходов синхронных детекторов являются сравнительно медленными, поэтому нижняя граничная частота ФВЧ обычно лежит в диапазоне 2-10(Гц). Динамический диапазон сигналов по амплитуде очень велик, он может достигать 60(дБ) на входе фильтра. Это означает, что фильтр очень часто будет работать в нелинейном режиме перегрузки по амплитуде. Выход из нелинейного режима после воздействия таких больших перегрузок по амплитуде для линейного ФВЧ может затянуться на десятки секунд (как и время готовности прибора после включения питания), что делает обычные схемы фильтров непригодными для практики.
Для разрешения указанной проблемы идут на всевозможные ухищрения. Наиболее часто фильтр разбивают на три-четыре каскада со сравнительно небольшим усилением и более-менее равномерным распределением времязадающих цепочек по каскадам. Такое решение ускоряет выход устройства в нормальный режим после перегрузок. Однако, для его реализации требуется большое количество ОУ.
В предлагаемой схеме ФВЧ - однокаскадный. Для уменьшения последствий перегрузок он выполнен нелинейным. Его постоянная времени для больших сигналов приблизительно в 60 раз меньше, чем для сигналов малой амплитуды.
Схемотехнически, ФВЧ представляет собой усилитель напряжения на ОУ D9.1, охваченный цепью ООС через интегратор на ОУ D10. Для малого сигнала, частотные и временные свойства ФВЧ определяются делителем из резистоов R45, R47, постоянной времени интегратора R43ЧC35 и коэффициентом усиления усилителя напряжения на ОУ D9.1. При увеличении выходного напряжения ФВЧ, после определенного порога начинает сказываться влияние цепочки диодов VD1-VD4, которые и являются основным источником нелинейности. Указанная цепочка на больших сигналах шунтирует резистор R45, увеличивая тем самым глубину ООС в ФВЧ и уменьшая постоянную времени ФВЧ.
Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет около 200. Для подавления высокочастотных помех в схеме фильтра имеется конденсатор С31. ОУ усилителя напряжения D9.1 имеет стандартную цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ). ОУ интегратора D10 имеет цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ) для ОУ типа К140УД1408. В случае использования ОУ типа К140УД12 (с внутренней коррекцией) конденсатор коррекции не нужен, однако необходим добавочный токозадающий резистор R70 (показан пунктиром).
Рис.28. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Дискриминатор и формирователь звукового сигнала
Дискриминатор (рис.28)
Дискриминатор состоит из компараторов на ОУ D12.1, D12.2 и одновибраторов на триггерах D13.1, D13.2. При прохождении датчика металлоискателя над металлическим предметом на выходах фильтров возникает полезный сигнал в виде двух полуволн напряжения противоположной полярности, следующих одна за другой одновременно на каждом выходе. Для небольших предметов из железа сигналы на выходах обоих фильтров будут синфазны: выходное напряжение "качнется" сначала в минус, а затем в плюс и вернется к нулю. Для неферромагнитных металлов и крупных железных предметов отклик будет другой: выходное напряжение только первого (верхнего по схеме фильтра) "качнется" сначала в минус, а затем в плюс. Реакция же на выходе второго фильтра будет противоположной: выходное напряжение "качнется" сначала в плюс, а затем в минус.
Таким образом, определив, полуволна какой полярности на выходе первого фильтра была первой по времени, можно определить, к какому типу относится обнаруженный предмет. Процесс принятия решения дискриминатором протекает следующим образом. Компараторы D12.1, D12.2 формируют на своих выходах прямоугольные импульсы положительной полярности при превышении (по модулю) амплитудой отрицательной полуволны выходного напряжения фильтра некоторого порога. Этот порог задается делителем R51, R52 и составляет около -1 (В).
Выходные импульсы компараторов запускают один из одновибраторов на триггерах D13.1, D13.2. Одновременно одновибраторы запуститься не могут - перекрестная ОС через диоды VD9, VD11 блокирует запуск одновибратора, если другой уже запущен. Длительность импульсов на выходах одновибраторов составляет около 0,5(с) и это в несколько раз больше, чем длительность обоих всплесков полезного сигнала при быстром движении датчика. Поэтому вторые полуволны выходных сигналов фильтров уже не влияют на решение дискриминатора - по первым всплескам полезного сигнала он запускает один из одновибраторов, другой при этом блокируется и такое состояние фиксируется на время 0,5(с).
Чтобы исключить срабатывание компараторов от помех, а также, чтобы задержать по времени выходной сигнал первого фильтра относительно второго, на входах компараторов установлены интегрирующие цепочки R49, С41 и R50, С42. Постоянная времени цепочки R49, С41 в несколько раз больше, поэтому при одновременном приходе двух отрицательных полуволн с выходов фильтров первым сработает компаратор D12.2 и запустится одновибратор на триггере D13.2, выдав управляющий сигнал ("ферро" - железо).
Формирователь звукового сигнала (рис.28)
Формирователь звукового сигнала состоит из двух идентичных управляемых генераторов звуковой частоты на триггерах Шмидта с логикой "И" на входе D14.1, D14.2. Запускается каждый генератор непосредственно выходным сигналом соответствующего одновибратора дискриминатора. Верхний генератор срабатывает по команде "металл" с выхода верхнего одновибратора - неферромагнитная мишень или крупный железный предмет - и выдает тональную посылку с частотой около 2(кГц). Нижний генератор срабатывает по команде "ферро" с выхода нижнего одновибратора - небольшие железные предметы - и выдает тональную посылку с частотой около 500(Гц). Длительности посылок равны длительности импульсов на выходах одновибраторов. Элементом D14.3 осуществляется смешивание сигналов двух тональных генераторов. Элемент D14.4, включенный по схеме инвертора, предназначен для реализации мостовой схемы включения пьезоизлучателя. Резистор R63 ограничивает всплески потребляемого микросхемой D14 тока, вызванные емкостным характером импеданса пьезоизлучателя. Это является профилактической мерой по уменьшению влияния наводок по питанию и предотвращению возможного самовозбуждения усилительного тракта.
Схема внешних соединений (рис.29)
На схеме внешних соединений показаны элементы, не установленные на печатной плате прибора и подключаемые к ней с помощью электрических разъемов. К таким элементам относятся:
- потенциометры настройки и балансировки R74, R75,
- датчик с кабелем и разъемом подключения,
- защитные диоды по питанию VD13, VD14,
- переключатель режимов работы S 1.1 -S 1.6,
- измерительные приборы W1, W2,
- батареи питания,
- пьезоизлучатель Y1.
Назначение перечисленных элементов, в основном, очевидно и не требует дополнительных пояснений.
Рис. 26. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Входная часть.
Рис. 27. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Синхронные детекторы и фильтры.
Рис. 28. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Дискриминатор и формирователь звукового сигнала
6.3.3. Типы деталей и конструкция
6.3.3. Типы деталей и конструкция
Типы используемыхмикросхем приведены в таблице.
Рис. 29. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Схема внешних соединений.
Таблица.
|
Обозначение по рис.26-рис.28 |
Тип |
Функциональное назначение |
|
D1 |
К561ЛН2 |
6 инверторов |
|
D2,D13 |
К561ТМ2 |
2 D-триггера |
|
D3-D5,D9,D12 |
К157УД2 |
сдвоенный ОУ |
|
D6 |
КР590КН4 |
аналоговые ключи |
|
D7-D8,D10-D11 |
КР140УД1408 |
точный ОУ |
|
D14 |
К561ТЛ1 |
4 эл-та 2И-НЕ с триггерами Шмидта на входе |
Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К 1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176.
Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К 15 7 можно заменить любыми сходными по параметрам одиночными ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции), хотя применение сдвоенных ОУ удобнее (возрастает плотность монтажа). Желательно, чтобы применяемые типы ОУ не уступали рекомендуемым типам по быстродействию. Особенно это касается микросхем D3-D5.
ОУ синхронных детекторов и интеграторов ФВЧ по своим параметрам должны приближаться к прецизионным ОУ. Кроме типа, указанного в таблице, подойдут К140УД14, 140УД14. Возможно применение микромощных ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 в соответствующей схеме включения.
К применяемым в схеме металлоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную и миниатюрную конструкцию и быть удобны для монтажа. С целью получения максимальной термостабильности следует испльзовать в схемах датчика, интеграторов и в схеме компенсации только металлопленочные резисторы. Номинал рассеиваемой мощности 0,125- 0,25(Вт).
Терморезистор R73 должен иметь отрицательный ТКС и номинал около 4,7(кОм). Рекомендуемый тип - КМТ- 17вт.
Потенциометры компенсации R74, R75 желательны многооборотные типа СП5-44 или с нониусной подстройкой типа СП5-35. Можно обойтись и обычными потенциометрами любых типов. В этом случае желательно их использовать два. Один - для грубой подстройки, номиналом 10(кОм), включенный в соответствии со схемой. Другой - для точной подстройки, включенный по схеме реостата в разрыв одного из крайних выводов основного потенциометра, номиналом 0,5-1(кОм).
Конденсаторы С45, С49, С51 - электролитические. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и др. малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсаторов колебательного контура датчика, - керамические типа К 10-7 (до номинала 68(нФ)) и металлопленочные типа К73-17 (номиналы выше 68(нФ)).
Конденсатор контура С61 - особый. К нему предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Конденсатор С61 состоит из нескольких (5...10 шт.) конденсаторов, включенных в параллель. Настройка контура в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43. Их группа по термостабильности - МП0 (т.е. приблизительно нулевой ТКЕ). Возможно применение прецизионных конденсаторов и других типов, например, К71-7. В конце концов, можно попытаться использовать старинные термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или какие-либо полистирольные конденсаторы.
Диоды VD1-VD12 типа КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные. В качестве диодов VD1-VD4 и VD5-VD8 удобно также использовать интегральные мостовые диодные сборки типа КД906. Выводы (+) и (-) диодной сборки спаиваются вместе, а выводами (~) она включается в схему вместо четырех диодов. Защитные диоды VD13-VD14 типов КД226, КД243, КД247 и другие малогабаритные на ток от 1(А).
Микроамперметры - любого типа на ток 100(мкА) с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247.
Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).
Переключатель режимов работы - любого типа малогабаритный поворотный галетный или кулачковый на 5 положений и 6 направлений. Батареи питания - типа 3R12 - по международному обозначению, "квадратные" - по нашему советско-российскому.
Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа 3П1...3П18. Хорошие результаты получаются при использовании пьезоизлучателей импортных телефонов (идут в огромных количествах "в отвал" при изготовлении телефонов с определителем номера).
Разъемы XI-ХЗ - стандартные, под пайку на печатную плату, с шагом выводов 2,5 (мм). Подобные разъемы широко применяются в настоящее время в телевизорах и другой бытовой технике. Разъем Х4 должен быть наружного исполнения, с металлическими наружними деталями, желательно - с посеребряными или позолоченными контактами и герметичным выходом на кабель. Рекомендуемый тип - PC 7 или PC 10 с резьбовым или байонетным соединением.
Печатная плата
Конструкция прибора может быть достаточно произвольной. При ее разработке следует учесть рекомендации, изложенные ниже в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов. Основная часть элементов принципиальной схемы прибора размещается на печатной плате.
Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена на основе готовой универсальной макетной печатной платы под DIP корпуса микросхем с шагом 2,5 мм. В этом случае монтаж ведут одножильным медным луженьм проводом в изоляции. Такая конструкция удобна для экспериментальной работы.
Более аккуратная и надежная конструкция печатной платы получается при разводке дорожек традиционным способом под заданную схему. Ввиду ее сложности, в этом случае печатная плата должна быть с двухсторонней металлизацией. Использованная автором топология печатных дорожек приведена на рис.30 - сторона печатной платы со стороны установки деталей и на рис.31 - сторона печатной платы со стороны пайки. Рисунок топологии приведен не в натуральную величину.
Рис.30. Топология дорожек печатной платы. Вид со стороны деталей.
Рис.31. Топология дорожек печатной платы. Вид со стороны пайки.
Для удобства изготовления фотошаблона автор приводит размер печатной платы по внешней рамке рисунка - 130 х 144 (мм).
Особенности печатной платы:
- перемычки, без которых разводка печатной платы оказалась невозможной,
- общую шину, которая выполнена в виде сетчатого рисунка максимально возможной площади на плате,
- расположение отверстий по узлам сетки с шагом 2,5 (мм),- минимальное расстояние между центром отверстия и средней линией проводника или между средними линиями двух соседних проводников - 1,77 (мм),
- направление прокладки отдельных проводников печатной платы по углу кратно 45°.
Плотность проводников на печатной плате не слишком высока, что позволяет изготовить рисунок под травление в домашних условиях. Для этого рекомендуется использовать тонкий стеклянный рейсфедер или иглу шприца со спиленным острием в комплекте с пластиковой трубкой.
Рисунок обычно выполняют нитрокраской, кузбасс-лаком, цапон-лаком и т.п. красителями, разбавленньми подходящими растворителями до удобной концентрации. Обычный реагент для травления стандартной печатной платы из стеклотекстолита с медной фольгой 35-50 (мкм) - водный раствор хлорного железа FeCl3.
Расположение деталей на печатной плате приведено на рис.32 (микросхемы, разъемы, диоды и кварцевый резонатор), на рис.33 (резисторы и перемычки) и на рис.34 (конденсаторы).
Рис. 32. Расположение элементов на печатной плате. Разъемы, микросхемы, диоды и кварцевый резонатор.
Рис.33. Расположение элементов на печатной плате. Резисторы.
Рис.34. Расположение элементов на печатной плате. Конденсаторы.
Рис. 29. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Схема внешних соединений.
Рис. 32. Расположение элементов на печатной плате. Разъемы, микросхемы, диоды и кварцевый резонатор.
Рис.30. Топология дорожек печатной платы. Вид со стороны деталей.
Рис.31. Топология дорожек печатной платы. Вид со стороны пайки.
Рис.33. Расположение элементов на печатной плате. Резисторы.
Рис.34. Расположение элементов на печатной плате. Конденсаторы.
6.3.4. Налаживание прибора
6.3.4. Налаживание прибора
Налаживание прибора рекомендуется производить в следующей последовательности.
1. Проверить правильность монтажа по принципиальной схеме. Убедиться в отсутствии коротких замыканий между соседними проводниками печатной платы, соседними ножками микросхем и т.п.
2. Подключить батареи или двуполярный источник питания, строго соблюдая полярность. Включить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 40(мА) по каждой шине питания. Резкое отклонение измеренных значений от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.
3. Убедиться в наличии на выходе генератора чистого меандра с частотой около 32(кГц).
4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2 меандра с частотой около 8(кГц).
5. Убедиться в наличии на выходе первого интегратора пилообразного напряжения, а на выходе второго - практически синусоидального с нулевыми постоянными составляющими.
Внимание! Дальнейшую настройку прибора необходимо проводить при отсутствии вблизи катушки датчика металлоискателя крупных металлических предметов, включая измерительные приборы! В противном случае, при перемещении этих предметов или при перемещении датчика относительно них прибор расстроится, а при наличии крупных металлических предметов вблизи датчика настройка будет невозможной.
6. Убедиться в работоспособности усилителя мощности по наличию на его выходе синусоидального напряжения частотой 8 (кГц) с нулевой постоянной составляющей (при подключенном датчике).
7. Настроить колебательный контур датчика в резонанс путем подбора количества конденсаторов колебательного контура и их номинала. Контроль настройки производится грубо - по максимальной амплитуде напряжения контура, точно - по сдвигу фазы в 180° между входным и выходным напряжениями усилителя мощности.
8. Заменить резисторный элемент датчика (резисторы R71- R73) постоянным резистором. Подобрать его величину так, чтобы входное и выходное напряжения усилителя мощности были равны по амплитуде.
9. Убедиться в работоспособности приемного усилителя, для чего проверить режим его ОУ и прохождение сигнала.
10. Убедиться в работоспособности схемы компенсации высших гармоник. Потенциометрами настройки R74, R75 добиться минимума сигнала основной гармоники на выходе приемного усилителя. Подбором дополнительного резистора R8 добиться минимума высших гармоник на выходе приемного усилителя. При этом произойдет некоторый разбаланс по основной гармонике. Устранить его настройкой потенциометрами R74, R75 и вновь добиться минимума высших гармоник с помощью подбора резистора R8 и так несколько раз.
11. Убедиться в работоспособности синхронных детекторов. При правильно настроенном датчике и при правильно настроенной схеме компенсации выходные напряжения синхронных детекторов устанавливаются в ноль приблизительно при среднем положении движков потенциометров R74, R75. Если этого не происходит (при отсутствии ошибок в монтаже), необходимо точнее настроить контур датчика и точнее подобрать его резисторный элемент. Критерием правильной окончательной настройки датчика является балансировка прибора (то есть установка нуля на выходах синхронных детекторов) в среднем положении движков потенциометров R74, R75. При настройке следует убедиться, что вблизи состояния балансировки на движение рукоятки потенциометра R74 реагирует только прибор W1, а на движение рукоятки потенциометра R75 - только прибор W2. Если движение рукоятки одного из потенциометров вблизи состояния балансировки отражается на двух приборах одновременно, то с такой ситуацией следует либо смириться (при этом несколько труднее будет балансировать прибор при каждом включении), либо точнее подобрать номинал конденсатора С 14.
12. Убедиться в работоспособности фильтров. Постоянная составляющая на их выходах не должна превышать 100 (мВ). Если это не так, следует сменить конденсаторы С35, С37 (даже среди пленочных типа К73-17 попадаются бракованные с сопротивлением утечки единицы - десятки мегом). Может потребоваться и замена ОУ D10 и D11. Убедиться в реагировании фильтров на полезный сигнал, который можно сымитировать небольшими поворотами рукояток R74, R75. Наблюдать выходной сигнал фильтров удобно непосредственно с помощью стрелочных приборов W1 и W2. Убедиться в возврате выходного напряжения фильтров в ноль после воздействия сигналов большой амплитуды (не позже, чем через 2 (сек)).
Может так оказаться, что неблагоприятная электромагнитная обстановка затруднит наладку прибора. В этом случае стрелки микроамперметров будут совершать хаотические или периодические колебания при настроенном состоянии прибора в положениях переключателя S1 "Режим 1" и "Режим 2". Описанное нежелательное явление объясняется наводками высших гармоник сети 50(Гц) на катушку датчика. На значительном удалении от проводов с электричеством колебания стрелок при настроенном приборе должны отсутствовать.
13. Убедиться в работоспособности дискриминатора и схемы формирования звукового сигнала.
14. Произвести термическую компенсацию датчика. Для этого сначала необходимо настроить и отбалансировать металлоискатель с резистором вместо резистивного элемента датчика. Затем - немного нагреть датчик на батарее отопления или охладить в холодильнике. Отметить, в каком положении движка потенциометра "металл" R74 будет достигаться балансировка прибора при изменившейся температуре датчика. Замерить сопротивление резистора, временно установленного в датчике, и заменить его на цепочку R71-R73 с термистором и с резисторами таких номиналов, чтобы суммарное сопротивление цепочки R71-R73 было бы равно сопротивлению заменяемого постоянного резистора. Выдержать датчик при комнатной температуре не менее получаса и повторить эксперимент с изменением температуры. Сравнить полученные результаты. Если точка балансировки по шкале движка R74 смещается в одну сторону, значит, датчик недокомпенсирован и необходимо усилить влияние термистора, ослабив шунтирующее действие резистора R72, для чего увеличить его сопротивление, а сопротивление добавочного резистора R71 - уменьшить (для сохранения величины сопротивления всей цепочки постоянной). Если же точка балансировки для этих двух экспериментов смещается в разные стороны, то датчик перекомпенсирован и необходимо ослабить влияние термистора, усилив шунтирующее действие резистора R72, для чего уменьшить его сопротивление, а сопротивление добавочного резистора R71 - увеличить (для сохранения величины сопротивления всей цепочки постоянной). Проведя несколько экспериментов с подбором резисторов R71 и R72, необходимо добиться, чтобы настроенный и отбалансированный прибор не терял способности для балансировки при изменении температуры на 40°С (охлаждение от комнатной температуры до температуры морозильной камеры холодильника).
При наличии неполадок и отклонений в поведении отдельных узлов схемы металлоискателя следует действовать по общепринятой методике:
- проверить отсутствие самовозбуждения ОУ,
- проверить режимы ОУ по постоянному току,
- сигналы и логические уровни входов/выходов цифровых микросхем, и т.д. и т.п.
6.3.5. Возможные модификации
6.3.5. Возможные модификации
Схема предложенного индукционного металлоискателя не так проста, как схемы металлоискателей, рассмотренных ранее. Поэтому, с одной стороны, актуально ее упрощение для начинающих радиолюбителей. Даже при использовании печатной платы, приведенной в книге, целесообразно начать сборку металлоискателя с упрощенного варианта, и только после его наладки добавить остальные элементы.
С другой стороны, предложенная схема индукционного металлоискателя может послужить удобной "отправной точкой" для более опытных экспериментаторов. Поэтому возможно ее дальнейшее усовершенствование и усложнение. Обе возможности подробнее рассмотрены ниже.
Упрощения. Настройка прибора
Упростить настройку (балансировку) прибора можно до предела, уменьшив коэффициент усиления приемного усилителя. При этом уже не потребуются дорогие и дефицитные потенциометры с нониусной подстройкой, а вполне хватит обычных. Может не потребоваться и температурная компенсация датчика. Все зависит от конкретного значения коэффициента усиления. Для начала можно попробовать выбрать его равным единице, положив R19 = 20(к0м), а каскад на ОУ D5.2 - удалить (или удалить только С20, R22, a R20, R21 - заменить перемычками). Конечно, при этом уменьшится дальность обнаружения прибора - приблизительно в полтора раза. Если не эксплуатировать прибор в широком диапазоне температур, то от настроечных потенциометров R74, R75 можно вообще отказаться. В этом случае они удаляются из схемы вместе с резисторами R13, R16, а балансировка выполняется один раз при изготовлении и наладке прибора. Балансировка достигается настройкой колебательного контура и выбором соотношения сопротивлений резисторов R15 и R17 в небольших пределах около единицы.
Компенсация высших гармоник
Точнее, речь пойдет об ее отсутствии. Упрощение в этом случае достигается за счет удаления каскада на ОУ D4.1. Удаляются также резисторы R7-R10 и конденсаторы С 11-С 13. Вывод резистора R11, подключавшийся ранее к выходу ОУ, следует подключить к общей шине. При использовании описанной выше печатной платы со сдвоенными ОУ возможен другой вариант: удаляются резисторы R7-R10 и конденсаторы C11-C12, ОУ D4.1 остается в схеме. С такими изменениями максимально возможный коэффициент усиления приемного усилителя будет приблизительно в два раза меньше из-за увеличения уровня уровня высших гармоник. Ухудшение потенциальной дальности обнаружения будет незначительно, около 10%.
Если предполагается принять упрощения, описанные параграфом выше, то можно удалить все элементы, относящиеся к схеме компенсации высших гармоник. Кроме уже указанных, можно удалить также следующие элементы: R11,R12,R14,C14 и C16.
Переключатель режимов работы
При отсутствии настроечных потенциометров (см. выше) можно упростить цепи, связанные с переключателем режимов работы. Сам переключатель заменяется тумблером питания на два направления (два контакта на замыкание), а остальные цепи подключаются так, как они подключаются в режимах 1 или 2, по выбору.
Расширение возможностей. Регулятор порога дискриминатора
Как уже отмечалось, порог срабатывания компараторов дискриминатора D12.1 и D12.2 определяется делителем из резисторов R51, R52 и является величиной постоянной. Можно ввести в конструкцию прибора регулятор "Чувствительность", который представляет собой переменный резистор, шунтирующий резистор делителя напряжения R52. Его рекомендуемая величина - 51(кОм). Для его подключения в конструкции печатной платы прибора предусмотрен вывод с резистора R52 на контакт 5 разъема ХЗ. При максимальной величине сопротивления внешнего переменного резистора чувствительность прибора минимальна. Уменьшая сопротивление этого резистора, будем увеличивать чувствительность прибора.
Необходимо отметить, что увеличение чувствительности связано с увеличением риска ложных срабатываний прибора и поэтому не может быть рекомендовано для всех случаев. Кроме того, желательно включить последовательно с указанным переменным резистором резистор постоянной величины номиналом 5,1(кОм). Эта мера не даст возможности порогам срабатывания компараторов дискриминатора проближаться к нулю.
Фильтры
Для улучшения селективности по отдельным типам обнаруживаемых мишеней возможна следующая модификация: на входы фильтров подаются не сигналы с выходов синхронных детекторов, а линейные комбинации выходных сигналов синхронных детекторов. Схемотехнически это реализуется следующим образом: между выходами синхронных детекторов включаются два подстроенных потенциометра, а сигнал на входы фильтров поступает с движков этих потенциометров. Регулировкой потенциометров добиваются, чтобы в режиме 1 прибор выдавал звуковой сигнал только на объекты из определенного металла. Обычно, к металлам "повышенного интереса" относят медь, серебро, золото и их сплавы. Отсечь же с помощью дискриминатора стремятся, в первую очередь, железо, ржавчину, алюминий и природные минералы.
Настройка дискриминатора металлоискателя в данном случае является делом кропотливым, требующим проведения массы экспериментов. Конкретные рекомендации привести сложно, так как настройка зависит как от характера материала предполагаемых объектов для поиска, так и от точности настройки колебательного контура датчика. Дополнительно можно лишь рекомендовать поэкспериментировать с подключением одного из выводов подстроечных потенциометров к выходу синхронного детектора через инвертор (усилитель с коэффициентом усиления минус 1).
6.4 Дисковый датчик
6.4 ДИСКОВЫЙ ДАТЧИК
Дисковый датчик является традиционным для металлоискателей на биениях, для металлоискателей по принципу "передача-прием" с компланарным расположением катушек, также он удобен для индукционного металлоискателя. Датчик закрепляется на штанге, см. рис.35.
Рис.35. Внешний вид дискового датчика на штанге.
Штанга может быть металлической или стеклопластиковой. Удобны телескопические раздвигающиеся штанги. В любительских целях можно использовать в качестве штанги 2-3 колена от телескопической стеклопластиковой удочки подходящей толщины.
Датчик имеет форму полого диска, изготовленного из пластмассы. Катушки, крепежные и прочие элементы размещаются внутри. Ниже рассмотрена практическая конструкция такого датчика с одной катушкой, предложенная автором (рис.36).
Датчик состоит из верхней и нижней крышек 1 и 2, в качестве которых используются полиэтиленовые крышки из набора пластиковой посуды. Крышки соединены друг с другом путем сварки. Сварка полиэтиленовых крышек осуществляется по буртику, имеющемуся на краю каждой крышки с помощью паяльника со специальной насадкой. Насадка на жало паяльника для такой сварки представляет собой "V"-образный в поперечном сечении лоток. Внутренней поверхностью насадки-лотка разогревают соприкасающиеся края крышек до расплавления в одном месте, после чего плавно перемещая паяльник с насадкой-лотком, обходят всю длину окружности соприкосновения краев крышек. Прежде чем выполнять такую сварку начисто, настоятельно рекомендуется потренироваться на опытных образцах. Необходимо будет выбрать нужную температуру насадки-лотка (рекомендуемая мощность паяльника - 40Вт), скорость передвижения лотка во время сварки. Рекомендуется паяльник с насадкой-лотком неподвижно закрепить, например, в тисках, а свариваемые детали держать в руках. Для того, чтобы расплавленный полиэтилен не накапливался в насадке-лотке и для получения более аккуратного шва движение
Рис.36. Конструкция дискового датчика.
насадки- лотка по окружности необходимо совместить с ее возвратно-поступательными колебаниями амплитудой 2-5(мм). Описанная операция сварки полиэтиленовых деталей трудоемка, однако получаемый в результате герметичный, легкий и прочный корпус датчика оправдывает затраты.
Кроме сварки, дополнительное крепление крышек 1 и 2 осуществляется с помощью центральной планки, изготовленной из винипласта. Она крепится к нижней крышке с помощью винтов-саморезов. После сборки датчика к центральной планке также привинчиваются уголки подвески датчика.
Основной "изюминкой" датчика является необычное для любых других конструкций сочетание пенопласта и эпоксидной смолы. Из пенопласта изготовлен дискнаполнитель 3 датчика. Пенопласт может использоваться практически любой. Широко доступный упаковочный и утеплительный пенопласт (рыхлый, легко крошится руками на отдельные шарики) даже более предпочтителен, чем твердый, так как имеет более крупные и даже сквозные поры, заполняемые в дальнейшем эпоксидной смолой. Диск 3 занимает большую часть объема датчика и при малой массе придает ему необходимую жесткость. Диск вырезают с помощью раскаленной металлической нити (от спирали электронагревательного прибора), подключенной к низковольтному источнику питания. Если имеется листовой пенопласт необходимой толщины, то из необходимых инструментов понадобится только лобзик или лезвие безопасной бритвы. В диске 3 вырезаются пазы необходимой формы и размера для центральной планки, для кабеля 8, для конденсаторов 6 и для других элементов 7 электрической схемы датчика.
Обмотка 4 размещена по внешнему краю диска 3 и залита эпоксидной смолой 5. Обмотка наматывается проводом необходимой марки и толщины на оправке диаметром, превышающем диаметр диска 3 приблизительно на 5(мм). Аккуратно снятая с оправки обмотка закрепляется в 4-х местах липкой лентой для придания ей формы тонкого кольца. Затем это кольцо обматывается липкой лентой (лучше использовать бумажную) шириной 5-10(мм), с максимальным натяжением, см. рис.37. Обмотка липкой лентой должна происходить так, чтобы соседние витки липкой ленты имели достаточный нахлёст. Этот нахлёст придает обмотке датчика требуемую жесткость.
Рис.37. Обмотка катушки липкой лентой.
Аналогичным способом поверх слоя из липкой ленты наносится слой из алюминиевой фольги, служащей экраном обмотки датчика. Для этого фольга нарезается на полосы шириной около 10(мм). Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, снижающего добротность контура, обмотка из фольги должна занимать не всю поверхность кольца обмотки датчика - от фольги оставляется свободным небольшой участок длиной 1-2(см). Чтобы фольга не размоталась, последние ее витки закрепляются липкой лентой. Отвод от экрана выполняется одножильньш луженым проводом без изоляции. Провод закрепляют узлом или с помощью липкой ленты в начале намотки фольги экрана и затем также с натяжением наматывают поверх экрана до его другого конца. Оставшийся конец провода закрепляют липкой лентой и оставляют для подключения свободный его конец длиной 5-10(см). В завершение, кольцо обмотки датчика обматывают сверху липкой лентой по всей поверхности, выпустив наружу выводы обмотки и экрана.
Описанная технология изготовления экранированных катушек датчиков металлоискателей доступна для повторе- ния в любительских условиях. Она не требует таких трудоемких процедур, как пропитка обмоток (эпоксидной смолой, парафином и т.п.), а механическая жесткость обмотки при этом получается высокой, особенно при заливке эпоксидной смолой снаружи.
Сборка датчика происходит в следующей последовательности. На нижнюю крышку 2 датчика с внутренней ее стороны устанавливают центральную планку, устанавливают пенопластовый диск 3 и обмотку 4, через отверстия в верхней крышке 1 и центральной планке продевают кабель 8 и разделывают его конец. Затем устанавливают остальные элементы электрической схемы датчика - конденсаторы, резисторы и т.д. и производят их распайку с выводами кабеля и обмотки катушки датчика. Терморезистор компенсации при этом целесообразно устанавливать в непосредственной близости с обмоткой. Для удобства, радиоэлементы можно смонтировать на небольшой макетной печатной плате.
После этого датчик устанавливают на горизонтальной поверхности и пенопластовый диск 3 прижимают грузом, чтобы не всплывал в эпоксидной смоле. Затем производят заливку датчика смолой или эпоксидным клеем с отвердителем. Способность смолы или клея к отверждению необходимо проверить заранее, чтобы не испортить датчик! Заливать датчик рекомендуется до краев нижней крышки 2. Не рекомендуется работать с эпоксидной смолой при температуре ниже +15°С, так как отверждение может затянуться на несколько суток, и выше +25°С ввиду бурного протекания реакции отверждения с выделением большого количества тепла, которое может деформировать датчик.
После затвердевания смолы кабель 8 укладывают в вырезанный под него в диске 3 паз, герметизируют его выход в отверстие верхней крышки 1 силиконовым герметиком и устанавливают верхнюю крышку на место, закрепив ее винтами-саморезами на центральной планке вместе с уголками подвески. В заключении, производят сварку верхней и нижней крышек корпуса датчика описанным ранее способом.
Рис.35. Внешний вид дискового датчика на штанге.
Рис.36. Конструкция дискового датчика.
Рис.37. Обмотка катушки липкой лентой.
6.5 Кабельный датчик
6.5 КАБЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК
Недостатком датчика описанной выше конструкции является сложность его изготовления при диаметре обмотки свыше ЗО(см). Предлагаемый ниже кабельный датчик может быть изготовлен диаметром до 1,5(м). Идея такого датчика не нова и заключается в использовании в качестве катушки датчика отрезка телефонного экранированного кабеля, согнутого в окружность и соответствующим образом распаянного. Жесткость конструкции такого датчика получается ниже, чем у дискового, однако, простота изготовления все оправдывает.
В отличие от дискового датчика, кабельный датчик обладает отрицательной плавучестью (тонет в воде), что удобно для подводных поисков. Кроме того, кабельный датчик большого диаметра может быть выполнен разборным! Для изготовления датчика необходим телефонный экранированный кабель марки ТПП-30 или ТПП-50, с 30-ю или 50-ю парами проводов соответственно. Из такого кабеля получится обмотка, состоящая из 60-ти или 100 витков. Внешний вид кабельного неразборного датчика приведен на рис.38.
Рис.38. Кабельный датчик. (Не связывать конструкцию с астрологической и национальной символикой!:-)
Датчик состоит из отрезка кабеля - обмотки 1, стеклопластиковых раскосов 2 с винипластовыми креплениями 3 к обмотке 1, соединительной коробки 4 и кабеля 5. Конструкция ясна из рисунка, пояснения требует только способ распайки кабеля и устройство соединительной коробки, на чем и остановимся подробнее.
Для упрощения распайки кабеля необходимо сначала познакомиться с некоторыми особенностями его устройства, что значительно упростит дело. Проводники в отечественном кабеле ТПП (как и в телефонных кабелях многих других типов) свиты по парам. Один из проводников каждой пары является общим и имеет либо белый, либо красны» цвет изоляции. Остальные проводники имеют цвета: коричневый, желтый, зеленый, голубой, серый. Пары сгруппированы в кабеле по десяткам, каждая десятка обвита своей вискозной нитью. Каждая десятка имеет пять пар с белым общим проводом и пять - с красным. Таким образом, в каждой десятке каждая свитая пара проводов уникальна по сочетанию двух цветов.
Прежде чем начать распайку концов кабеля, необходимо аккуратно произвести их разделку (подготовку). Последняя заключается в разборке проводников кабеля по десяткам и по парам в пределах каждой десятки.
Так как шаг скручивания каждой пары достаточно велик (несведующий человек обычно и не замечает, что проводники скручены по парам), для успешной разборки проводников необходим свободный участок (запас) длиной не менее 0,5(м) с каждого конца заготовленного отрезка кабеля.
Разделку конца кабеля начинают со снятия изоляции, для чего на необходимой длине делают кольцевой надрез наружного пластикового покрытия. Надрезать пластик надо очень аккуратно, чтобы не порезать внутренние жилы кабеля (особенно неизолированный проводник, являющийся выводом экрана). После надрезания, небольшими изгибами в месте надреза (на излом) производят отделение участка внешней изоляции вместе с внутренним алюминиевым экраном. Для удобства, изоляцию надо снимать отрезками по 10-15(см).
После снятия внешней изоляции и экрана, нодо разматывания защитной пленки (!), необходимо закрепить концы всех проводников (с помощью клейкой ленты или путем скручивания). Неизолированный проводник экрана свертывается отдельно в небольшую бухточку, чтобы не мешал. После этого можно размотать защитную пленку и разобрать пары кабеля по десяткам (каждая десятка обвита своей вискозной нитью).
Каждую десятку также фиксируют на конце липкой лентой или скручиванием, после чего пучки десяток можно развести в стороны. Пока кабель еще "свежий" после разделки концов, целесообразно разобрать каждую десятку по парам. Для этого,не освобождая от фиксации конец одной из десяток, путем ее продольного сжимания и аккуратного потряхивания и поворачивания, добиваются "рассыпания" пучка проводов на витые пары. Как уже указывалось выше, для этого необходимо иметь длину разделываемой части кабеля не менее 0,5(м).
Проводники в каждой паре скрепляются на конце небольшим кусочком липкой ленты (для каждой пары). В дополнительной маркировке нет необходимости, так как в пределах каждой десятки каждая пара уникальна по сочетанию цветов изоляции. После этого уже легко можно "вызвонить", то есть идентифицировать десятки на каждом конце кабеля, например, присвоив им номера (1,2,3 для 30-ти парного кабеля или 1-5 для 50-ти парного).
После такой предварительной подготовки можно приступать к распайке проводников. Распайку целесообразно проводить в несколько этапов - по десяткам пар. При этом из каждой десятки витых пар кабеля получится изолированная секция будущей обмотки датчика с 20 витками провода. В дальнейшем, отдельные секции включаются последовательно-согласно для образования обмотки с 60 или 100 витками. Распайку ведут согласно приведенной ниже схеме.
ПАРЫ ОДНОГО КОНЦА КАБЕЛЯ (буквы обозначают цвета)
ПАРЫ ДРУГОГО КОНЦА КАБЕЛЯ
Перед спайкой проводников концы кабеля, там где кончается внешняя защитная пластиковая изоляция, максимально приближаются друг к другу. При этом из кабеля формируется окружность требуемого размера. Кабель и его концы закрепляется в таком положении. В соответствии с предложенной схемой распайки, выбирается один из проводников десятки с одного конца кабеля, один - с другого конца. Например, коричневый провод пары "белый- коричневый" с одного конца и белый провод аналогичной пары - с другого. Проводники обрезаются до длины 5 (см), зачищаются от изоляции, залуживаются и спаиваются вместе. Место спайки изолируется липкой лентой или с помощью тонкой термоусаживающейся трубки.
Таким образом производят распайку пар каждой десятки, а затем спаивают десятки между собой. Если придерживаться предложенной схемы, в итоге должна получиться обмотка с выводом начала в виде провода с белой изоляцией, и с выводом конца - в виде провода с серой изоляцией.
После распайки обмотки место спайки концов кабеля помещают в пластиковую соединительную коробку размерами 40х40х80 (мм). Внутренний объем такой коробки позволяет при небольшом уплотнении разместить спаяные концы 30-ти или 50-ти парного кабеля. Внутренний объем коробки заливается эпоксидной смолой или эпоксидным клеем. Заливка гарантирует надежную дополнительную изоляцию проводов кабеля, предохраняет их от обламывания, обеспечивает прочное механическое соединение концов кабеля.
В соединительной коробке выводы обмотки датчика подключают к концу гибкого кабеля, пропущенного через отверстие в коробке. В коробке также размещаются конденсаторы колебательного контура датчика и другие его элементы, если таковые предусмотрены схемой. Приведенный на рис.38 внешний вид соответствует неразборной конструкции кабельного датчика с внешним диаметром 40(см).
Кабельный датчик может быть без труда выполнен и гораздо большего диаметра. Основными ограничениями является способность оператора манипулировать таким датчиком при работе, а также транспортабельность датчика. Первое ограничение соответствует диаметру датчика не более 1,5(м) при весе до 5 (кг). Второе же ограничение побуждает выполнить конструкцию кабельного датчика разборной. На рис.39 изображена конструкция разборного кабельного датчика.
По своему принципу предлагаемая конструкция напоминает конструкцию складного зонта. Датчик состоит из кабельного кольца с соединительной коробкой, из 12-ти стеклопластиковых трубок - раскосов, двух центральных дисков и вспомогательных элементов крепления. Со стороны кабеля трубки - раскосы крепятся с помощью алюминиевых переходных втулок, закрепленных на кабеле скобами и винтами. Переходные втулки свободно вставляются внутрь трубокраскосов. Аналогичного назначения переходные втулки расположены также и на центральных дисках (по 6 на каждом). Однако, они закреплены с возможностью поворота в небольших пределах, чтобы трубки - раскосы могли двигаться при сборке датчика аналогично тому, как движутся спицы зонта при его открытии. Длина окружности датчика и длина трубок - раскосов подобраны так, чтобы в собранном состоянии кабель обмотки датчика находился в сильном натяжении (не менее 100(н)). При этом необходимо принять соответствующие меры для предотвращения разрыва и повреждения обмотки датчика: тщательно выполнить механическое соединение концов кабеля обмотки в кольцо в соединительной коробке, закруглить острые края переходных втулок в местах контакта с кабелем обмотки датчика и т.п.
Рис.39. Разборный кабельный датчик.
В разобранном состоянии датчик состоит из отдельных элементов: из кольца кабеля с закрепленными на нем переходными втулками, из 12-ти трубок - раскосов (их удобно хранить в отдельном чехле), из двух центральных дисков, а также из элементов, с помощью которых датчик фиксируется в рабочем состоянии - стягивающего винта с гайкой, центральной упорной втулки и ручки для переноски датчика или крепежного узла для стыковки со штангой.
Определенная хитрость заключается в способе складывания кабеля - обмотки датчика в разобранном состоянии. Кабель хоть и является гибким, но не до такой степени, как бельевая веревка. Он совершенно не допускает изгибов с малым радиусом закругления и продольного кручения.
Любое применение силы при складывании кольца кабеля может привести к разрыву внутренней фольги экрана и к другим повреждениям!
Кольцо кабеля складывается в три витка. Последовательность операций при складывании приведена на рис.40.
Рис 40. Последовательность складывания кольца кабеля датчика.
Рис 40. Последовательность складывания кольца кабеля датчика.
Рис. 38б. Распайка концов кабеля
Рис.38. Кабельный датчик. (Не связывать конструкцию с астрологической и национальной символикой!:-)
Рис.39. Разборный кабельный датчик.
6.6 Конструкция универсального корпуса
6.6 КОНСТРУКЦИИ УНИВЕРСАЛЬНОГО КОРПУСА
В радиолюбительской литературе описано множество удачных конструкций различных корпусов для радиоэлектронной устройств. Далеко не все из них подходят для автономных устройств с батарейным питанием, к которым относятся и металлоискатели. К корпусу металлоискателя выдвигается целый ряд требований - компактность, прочность, надежное крепление печатных плат и батарей питания, удобство работы в походных условиях. Существуют и специфические требования, такие как наличие низкоомного и стабильного по времени контакта между массивными металлическими деталями корпуса.
Ниже описана конструкция универсального корпуса, пригодного для размещения "электронной начинки" практически любого металлоискателя средней сложности. Данный корпус пригоден для всех схем металлоискателей, описанных в книге. Автор стремился создать технологичную и несложную в изготовлении конструкцию корпуса, удовлетворяющую всем вышеперечисленным требованиям. На рис. 41 приведен общий вид разработанного автором универсального корпуса.
Корпус состоит из двухбоковин 1 и 2 (см. рис. 41), которые изготовлены из листового алюминиевого сплава толщиной 4(мм). В боковинах имеются отверстия с резьбой М3 под крепежные винты, с помощью которых крепятся остальные части корпуса. На боковине 2 также установлен разъем 9 для подключения кабеля датчика прибора. Со внутренней стороны боковины 2 имеется контактный лепесток корпуса прибора, через который к нему подключаются
Рис. 41. Конструкция универсального корпуса.
общая шина электронной части и экраны кабелей. Этот лепесток зажимается под гайку одного из винтов крепления разъема 9. Металл боковины под контактным лепестком тщательно зачищается.Для обеспечения стабильной работы никаких других контактов корпуса прибора с общей шиной электронной части не допускается!
На лицевой панели 3 (изображена на примере индукционного металлоискателя) установлены стрелочные приборы, потенциометры балансировки, переключатель режимов работы и пьезоизлучатель (с внутренней стороны). Лицевая панель - двухслойная. Наружный слой - фальшпанель изготовлена из анодированного алюминиевого листа толщиной 0,5 (мм) черного цвета. Гравировкой на ней выполнены необходимые линии и надписи. Непосредственно панель, находящаяся под фальшпанелью, выполнена из листового стеклотекстолита толщиной 2,5 (мм).
Задняя панель 4 - легкосъемная и служит крышкой отсека батарей питания. Она крепится одним винтом к резьбовой втулке, закрепленной наперегородке 5. Для того, чтобы задняя панель не прогибалась при затягивании единственного своего крепежного винта, она усилена профилем в виде широкого швеллера, согнутого также, как и панель, из листового алюминиевого сплава толщиной 1 (мм). Профиль и панель скреплены 4-мя винтами МЗ с гайками.
Верхняя крышка б и нижняя крышка 7 являются основными защитными элементами корпуса. Крышки изготовлены из листового алюминиевого сплава толщиной 1 (мм). По форме крышки одинаковы и являются 100%-ньш зеркальным отражением друг друга.
Печатная плата 8 электронной части прибора крепится к торцевым поверхностям боковин 1 и 2 при помощи винтов, ввинчиваемых в резьбовые отверстия боковин. Печатная плата установлена деталями внутрь корпуса и между ней и верхней крышкой 7 имеется достаточный зазор. Для модификации индукционного металлоискателя и для более сложных приборов предусмотрены резьбовые отверстия в нижних торцевых поверхностях боковин 1 и 2 для установки дополнительной печатной платы. Она устанавливается параллельно основной печатной плате 8 также деталями внутрь корпуса. Детали на печатных платах размещаются так, чтобы не занимать пространство в местах расположения стрелочных микроамперметров и балансировочных потенциометров.
Винты М3х6 для соединения отдельных частей корпуса использованы из набора крепежа для сборки компьютеров. Они имеют надежное и красивое хромированное покрытие и форму в сечении, слегка отличающуюся от круга (т.е. это своего рода саморезы), что обеспечивает прочное крепление, не развинчивающееся от ударов и вибраций и (!) надежный электрический контакт.
Все алюминиевые детали корпуса желательно подвергнуть электрохимической обработке (анодирование в хромпике), что придаст им не только привлекательный зеленоватый оттенок, но и убережет от коррозии. Несмотря на значительный слой окисла на поверхности анодированного алюминия, контакт между металлическими частями корпуса остается по-прежнему надежным и стабильным. Это достигается применением специальных винтов (см. выше), затягиваемых с достаточным усилием в резьбовые отверстия боковин (без окисла) и контактирующих с внутренними поверхностями отверстий деталей (также без окисла - рассверленных).
Рис. 41. Конструкция универсального корпуса.
7. Перспективы развития
7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Природу не обманешь - ее законы объективны и недосягаемы для власти человека. Коль мы не в состоянии изменить уравнения Максвелла, - ждать, что в будущем электронные металлоискатели совершат кардинальный скачок по глубине обнаружения предметов, увы, не приходится.
Иное дело - селективность по металлам, а точнее говоря, - по типам обнаруживаемых мишений. Активность разработок ведущих зарубежных фирм, выпускающих электронные металлоискатели, в последние годы была сконцентрирована именно вокруг данной задачи.
Практически можно считать разрешенной задачу отделения (дискриминацию) нежелательных сигналов от такого типичного металлического мусора, как алюминиевая фольга, железные и алюминиевые пробки от бутылок, ржавчина. Дискриминация основана на обработке сигналов от двух каналов электронной части металлоискателя и по своей сути является сортировкой сигналов, отраженных от различных мишений, по фазе.
Широкое распространение получила компьютеризация металлоискателей, точнее говоря, применение КМОП-микропроцессорной техники в совокупности с многофункциональными жидкокристаллическими дисплеями. Справедливости ради, следует отметить, что применение встроенного в металлоискатель микроконтроллера дает только всевозможные удобства пользователю, не улучшая, по сравнению с аналогичным прибором без микропроцессора, основные параметры.
Однако, несмотря на очевидный прогресс в разработках ведущих фирм, существует, по мнению автора, новое актуальное направление, в котором следует ожидать дальнейших качественных изменений. И это направление также связано с улучшением селективности металлоискателей, то есть с их способности различать те или иные металлы. Всю историю последних тысячелетий человечество стремилось к золоту. Поэтому очень актуален прибор, позволяющий отличить, грубо говоря, горшок с монетами от выброшенного "в лучших традициях", за ненадобностью, заднего моста от колхозного грузовика. Здесь уже мало будет прибора, способного отличить железную пробку от монеты. Необходим прибор, реагирующий на тип металла для объектов произвольной формы и произвольного размера.
На каких же основных принципах можно построить такой электронный металлоискатель? Ответом на вопрос может служить известный научный факт - по анализу частотной характеристики отраженного сигнала можно достаточно точно определить принадлежность неизвестной мишени к проводящему материалу того или иного типа, см. [32], стр. 196. Следовательно, такой прибор в принципе не может работать на гармоническом (синусоидальном) сигнале фиксированной частоты. Остаются два варианта - изменять частоту и регистрировать частотную характеристику (в терминах [32] - характеристический профиль мишени), либо излучать не гармонический сигнал, а сигнал со сложным спектром, и регистрировать одновременно компоненты этого спектра в отраженном сигнале.
Первый из этих вариантов был предложен еще в работе [I], однако автору неизвестно ни одно из его реальных воплощений. По всей видимости, достаточно длительная во времени процедура анализа частотной характеристики сигнала неприемлема для мобильных приборов поиска.
Второй вариант представляется гораздо более предпочтительным, так как одновременный анализ компонент спектра экономит время. Более удобна и практическая реализация - по своей схемотехнике прибор может быть аналогичным описанным выше металлоискателям индукционного типа и по принципу "передача-прием", с разницей лишь в форме излучаемого сигнала, количестве каналов и устройстве обработки.
Сформировать излучаемый сигнал для такого прибора также несложно. Простейшим решением является генерирование сигнала напряжения прямоугольной формы (меандр), имеющего линейчатый спектр из нечетных гармоник.
Излучающая катушка (колебательный контур в данном случае не подходит) будет по-разному преобразовывать различные компоненты спектра подаваемого на нее сигнала напряжения в ток ввиду индуктивного характера своего импеданса. Для того, чтобы чувствительность по каналам металлоискателя, соответствующим различным линиям спектра сигнала, была одинаковой, целесообразно использовать не меандр, а сигнал более сложной формы, у которого высокочастотные линии спектра имеют большую амплитуду. Вполне вероятно, что для предлагаемого прибора нового типа потребуется не столь редкий линейчатый спектр, как у меандра. В данном случае универсальным решением может оказаться цифровой генератор псевдослучайной последовательности на сдвиговом регистре небольшой длины (в сочетании с перемножением на меандр несущей частоты). Формирование таких сигналов вполне реализуемо цифровыми методами как с помощью микропроцессоров, так и с помощью обычных микросхем низкой степени интеграции.
Интересным является вопрос - какое количество линий спектра анализировать? Очевидно, что для обычной схемотехники оно ограничено количеством каналов металлоискателя, т.е. разумными аппаратурными затратами. Разумным ограничением для аналоговой реализации является, по мнению автора три линии спектра (шесть каналов металлоискателя). Их оптимальные относительные амплитуды и частоты требуют дальнейшего изучения.
Стремительный прогресс микроэлектроники и цифровой микропроцессорной техники позволяет надеяться, что возможен в недалеком будущем и другой вариант реализации металлоискателя нового типа. Его основная идея заключается в переноске "центра тяжести" с аналоговой части прибора на цифровую. Анализ спектра отраженного сигнала будет реализован программно с помощью микропроцессора. В данном случае рост количества анализируемых линий спектра не будет приводить к дополнительным аппаратурным затратам. Такой металлоискатель будет содержать микропроцессорный микроконтроллер, 16-разрядный АЦП, предварительный усилитель, выходной формирователь, устройство индикации. Допустимая степень сложности обработки информации будет зависеть от размера программы (от объема ПЗУ и ОЗУ) и от производительности микропроцессора (определяется допустимой мощностью, потребляемой от аккумулятора).
Кто знает, быть может один из молодых читателей этой книги будет писать программы для таких металлоискателей...
Металлоискатели для поиска кладов и реликвий - иллюстрация обложки
Список источников информации
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. Нейбергер Н. А., Исследование и разработка способа и аппаратуры для бесконтактного выявления подземных коммуникаций: диссертация на соискание ученой степени к.т.н.-Львов: АН УССР, Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко, 1982.
2. Бахмутский В. Ф., Методы и аппаратура для отыскания мест повреждений в кабелях дальней связи и для обнаружения кабелей: диссертация на соискание ученой степени к.т.н.-Львов: MB и ССО УССР, Львовский ордена Ленина политехнический институт, 1968.
3. Charles Garrett, Modem Metal Detectors: N-Y., 1992.
4. Корзухина Г. Ф., Русские клады 9-13 вв.: М. - Л., изд- во АН СССР, 1954.
5. Векслер А., Мельникова А., Московские клады: М., Московский рабочий, 1988.
6. Котляр Н., Кладоискательство и нумизматика: Киев, 1974.
7. Быков А. В., Клады 30 - 40 годов XVII века: Вологда, 1992.
8. Витевский В. Н., Клады и кладоискание на Руси: Казань, 1893.
9. Ильин А. А., Топография кладов серебряных и золотых слитков: Петроград, 1921.
10. Ильин А. А., Топография кладов древних русских монет Х - XI вв и монет удельного периода: Л., 1924.
11. Клады смутного времени 1605 -1619 гг. (сборник): М., 1989.
12. Кузнецов Е. В., Кладоискание и предание о кладах в Западной Сибири: Тобольск, 1896.
13. Марков А. К., Топография кладов восточных монет: СПб., 1910.
14. Савельев П. С., Клады с восточными монетами, находимые в России: СПб., 1842.
15. Моисеев С. А., Сокровища ненайденных кладов (кладоискательство как сверхдоходный бизнес), Саратов, 1995.
16. Бахрушин С. И., Кулешов Ю. Г., Станюкович. А. К., Применение металлоискателей в археологии. // Новое в применении физико-математических методов в археологии: М., Наука, 1979. С. 58-63.
17. Станюкович А. К., Атавин А. Г., Данилова О. М., Кулешов Ю. Г., Применение метода электромагнитной индукции в археологических разведках и раскопках. // Региональная геология некоторых районов СССР. Вып. 2: М., МГУ, 1977. С. 151-155.
18. Станюкович А. К., Археологическая геофизика в России // Геофизика, 1996, № 12. С. 57-64.
19. Станюкович А. К., Основные методы полевой археологической геофизики. // Естественно-научные методы в археологии. Вып. 1: М., ИА РАН, 1997. С.19-42.
20. Станюкович А. К., Применение металлоискателей на памятниках археологии Арктики. // Памятниковедение. Проблемы изучения историко-культурной среды Арктики: М., НИИ Культуры, 1990. С. 187-196.
21. Отступник И. А., Энциклопедия кладоискателя: С-Пб., Респекс, 1998.
22. Dorothy В. Francis, Metal Detecting For Treasure: Washington, 1993.
23. DetectionNet- http://www.detection.com
24. TreasureNet- http://www.treasurenet.com
25. Булгак Л., Степанов А., Современные электронные металлоискатели: М., 1996.
26. Щелоков А. А., Монеты СССР: Каталог - М.: Финансы и статистика, 1989.
27. Орлов А. П., Монеты России: Минск, Паблисити, 1994.
28. Узденников В. В., Монеты России 1700 - 1917: М., ДатаСтром, 1992.
29. Мельникова А. С., Русские монеты от Ивана Грозного до Петра Первого: М., Финансы и статистика, 1989.
30. Орешников А. В., Русские монеты до 1547 г.: М., 1896.
31. Станюкович А. К., "Катюша" из сорок первого: итоги комплексных поисковых работ // Памятниковедение. Изучение памятников истории и культуры в гидросфере. Вып. 2: М., НИИ Культуры, 1991. С. 89-102.
32. Бэрк Г.Ю., Справочное пособие по магнитным явлениям: Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1991.-384 с.
13. Самоучитель по схемотехнике
Самоучитель по схемотехнике
1. Введение
Введение Одним из актуальных вопросов обеспечения надежной работы радиоэлектронной аппаратуры был и остается вопрос обеспечения ее бесперебойным и качественным питанием. Авария источника питания, стоимость которого не превышает нескольких процентов от цены всего изделия, порой может погубить ценнейшее радиоэлектронное оборудование и обернуться катастрофой. Более того, в результате повреждения источник питания может стать опасным для жизни человека. |
2. Контроль и индикация параметров источников питания
Контроль и индикация параметров источников питанияКонтроль наличия трехфазного напряжения может быть осуществлен при помощи индикатора по схеме на рис. 1.1. Он содержит в каждой фазе токоограничительный резистор (R1 — R3) [1.1]. На выходе резисторов звездой включены слаботочные газоразрядные источники света — неоновые лампы. Если одна из фаз отключится, например, А, погаснут индикаторы HL1 и HL3, поскольку падения напряжения на горящем индикаторе HL2 будет недостаточно для инициирования разряда в последовательно соединенных индикаторах HL1 и HL3.
Для определения «фазы» традиционно используют индикаторные отвертки с индикаторами, выполненными на неоновых лампах. Такое устройство содержит неоновую лампу и последовательно включенный токоограничивающий резистор с сопротивлением не менее 0,5 МОм. При подключении индикаторной отвертки к «фазовому» проводу через этот резистор, неоновую лампу и тело человека протекает ток, достаточный для неяркого свечения неоновой лампы.
Чтобы пользоваться индикатором было удобно как при ярком свете, так и в темноте, в него нужно добавить неоновую лампу (рис. 1.3), включив ее последовательно с ЖКИ [1.3].
Для индикации напряжения постоянного тока или для повышения яркости свечения индикатора HL1 может быть использован выносной щуп, подключаемый к индикаторной отвертке со стороны сенсорной площадки (см. рис. 1.4). При этом могут быть реализованы следующие варианты подключения: при неполном включении штекера в гнездо последовательно с выносным щупом включается диод VD5; при полном включении штекера диод VD5 отключается (шунтируется); в окне заглушки штекера, соответственно, изменяется надпись (с «-» на «-»). Как вариант, в разрыв цепи (точка «а») могут быть включены светодиоды HL2, HL3 (рис. 1 .4 а); в этом случае необходимость в использовании диода VD5 отпадает.
Индикатор (рис. 1.6) отличается от предыдущего регулировкой чувствительности. Такая новация объясняется тем, что начальный ток через полевой транзистор зависит от начального смещения на его затворе. Для транзисторов даже одной партии изготовления, а, тем более, для транзисторов разных типов, величина начального смещения для обеспечения равного тока через нагрузку заметно отличается. Следовательно, регулируя начальное смещение на затворе транзистора, можно задавать как начальный ток через сопротивление нагрузки (светодиод), так и управлять чувствительностью устройства. Начальный ток через светодиод для схем, приведенных на рис. 1.5 и 1.6 — около 2...ЗмА.
Повысить чувствительность индикаторов электрического поля можно использованием составных транзисторов (как показано на рис. 1.8, 1.9). Принцип их работы тот же. Максимальный ток через светодиоды не должен превышать 20 мА.
Рис. 1.10. Схема индикатора электрического поля с акустической индикацией — искателя сетевой проводки
Наличие фаз на проводах питающей сети позволяет контролировать устройство (рис. 1.11), в котором для гашения избыточного напряжения использованы резисторы [1.8]. Схема может быть доработана для индикации трехфазного напряжения при соединении светодиодных индикаторов «звездой» или «треугольником», см. также рис. 1.1.
Рис. 1.12. Схема устройства для индикации превышения тока в нагрузке
Рис. 1.13. Схема индикатора включенной нагрузки Диод VD1 Д211 можно заменить на слаботочный диод, например, типа КД102Б.
Рис. 1 .14. Схема устройства для контроля тока в нагрузке
Рис. 1.15. Схема ваттметра переменного тока Для ориентировочного количественного измерения потребляемой нагрузкой мощности из сети можно применить схему по рис. 1.15 [1.12].
Рис. 1.16. Схема ваттметра переменного тока с линейной шкалой Для измерения тока и мощности (с учетом ограничений, см. выше) в цепи переменного тока может быть использована схема ваттметра [1.13] на основе трансформатора тока, показанная на рис. 1.16. Он представляет собой ферритовое кольцо, сквозь которое пропущен проводник, подающий ток потребителю. Этот проводник является своеобразной первичной (токовой) обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка выполнена тонким проводом, равномерно намотанным по ферритовому кольцу до заполнения. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки, выпрямляется диодным мостом и поступает на фильтр и стрелочный измерительный прибор. Чувствительность прибора задает резистор R2. При внутреннем сопротивлении измерительного прибора 520 Ом и токе полного отклонения 500 мкА сопротивление резистора R2 составит примерно 270 кОм. |
1_1.jpg
1_10.jpg
1_11.jpg
1_12.jpg
1_13.jpg
1_14.jpg
1_15.jpg
1_16.jpg
1_2.jpg
1_3.jpg
1_4.jpg
1_5.jpg
1_6.jpg
1_7.jpg
1_8.jpg
1_9.jpg
3. Пробники и индикаторы напряжения
2_1.jpg
2_1.jpg
2_10.jpg
2_11.jpg
2_12.jpg
2_13.jpg
2_14.jpg
2_3.jpg
2_4.jpg
2_5.jpg
2_6.jpg
2_7.jpg
2_8.jpg
2_9.jpg
4. Устройства и элементы защиты аппаратуры и человека
Устройства и элементы защиты аппаратуры и человека Достаточно серьезную опасность для аппаратуры представляет подача на нее питающего напряжения противоположной полярности. В большинстве случаев это приводит к выходу из строя электролитических конденсаторов, полупроводниковых приборов и микросхем. Чаще всего поврежденные таким путем устройства восстановлению не подлежат.
Разновидностью этого способа защиты является использование вместо диода мощного стабилитрона VD1 (рис. 3.2). Напряжение стабилизации стабилитрона должно несколько превышать напряжение питания устройства. Стабилитрон одновременно защитит нагрузку как от переполюсовки, так и от перенапряжения.
С их помощью без перегрузки по току для источников питания можно защитить радиоэлектронную схему.
Рис. 3.3. Диодно-последовательная защита нагрузки от переполюсовки
Однако они имеют одну неприятную особенность: на первой из них теряется 0,7 В «прямого» напряжения на диоде, на второй — вдвое больше. Кроме того, при использовании этих схем после стабилизаторов коэффициент стабилизации заметно снижается.
Второй проблемой при взаимодействии источника питания и нагрузки является работа источника питания без нагрузки. Для ряда современных устройств, например, импульсных блоков питания, работа без нагрузки зачастую недопустима. Не допускается эксплуатация без нагрузки и феррорезонансных стабилизаторов напряжения.
Рис. 3.7. Схема устройства для автоматического отключения аппаратуры ПЭВ-2 0,17 мм. Реле К1 типа РЭН-29, РЭС-22, РЭС-32 или МКУ-48 с рабочим напряжением 24 В. Микросхему DA1 К157УД4А можно заменить на К140УД6, К140УД7, К544УД1А.
Рис. З.8. Включение микросхемы для «горячего» подключения/отключения нагрузки Микросхема К1182СА1 содержит два операционных усилителя, которые служат для усиления (по модулю) примерно в 280 раз сигнала, поступающего со входов +IN и -IN (выводы 3 и 5 микросхемы, соответственно). Усиленный сигнал подается на компаратор и далее через линию задержки на вход управляющего тиристора. Питание микросхемы осуществляется от сети через диодный мост (выводы 13 и 15 микросхемы). Выпрямленное напряжение подается на вывод 11 (+V) питания исполнительного устройства (реле). Для питания операционных усилителей и других элементов микросхемы используется внутреннее стабилизированное напряжение (примерно 13,56). Дополнительные опорные напряжения, необходимые для нормальной работы усилителей и компаратора, задаются внутренним резистивным делителем. Вход DLY (вывод 1) служит для подключения конденсатора, определяющего задержку включения выходного тиристора (при С=6000...8000 пФ задержка составляет 2 мс). Ко входу CL (вывод 8) подключается фильтрующий конденсатор для исключения срабатывания тиристора при прохождении помех по сети. Вывод 7 (GND) — общий для подключения конденсаторов и реле.
Токочувствительный датчик Т1 имеет кольцевой сердечник из электротехнической стали или феррита. Сигнал датчика при заданной утечке должен быть в пределах 50...200 мВ. Настройку всей схемы выполняют регулировочным резистором R4. Включенное состояние устройства индицируется светодиодом HL1. Для контроля работоспособности используется кнопка S1, нажатием на которую имитируется утечка по одному из проводников. При этом должно сработать исполнительное устройство. Основные параметры микросхемы: Минимальное напряжение сети — 80 Б Максимальное напряжение сети —276 В Выпрямленное напряжение (на выводе +V) — 390 В Выпрямленный ток (на выводе +V) — 300 /и/А Выходной ток — 300 мА Рассеиваемая мощность при +70°С — 1 Вт |
3_1.jpg
3_2.jpg
3_3.jpg
3_4.jpg
3_5.jpg
3_6.jpg
3_7.jpg
3_8.jpg
3_9.jpg
5. Защита электронных устройств от перенапряжения
Защита электронных устройств от перенапряжения Для защиты радиоэлектронного оборудования традиционно применяют плавкие предохранители. Обычно в них используют тонкие неизолированные проводники калиброванного сечения, рассчитанные на заданный ток перегорания. Наиболее надежно эти приспособления работают в цепях переменного тока повышенного напряжения. С понижением рабочего напряжения эффективность их применения снижается. Обусловлено это тем, что при перегорании тонкой проволоки в цепи переменного тока возникает дуга, распыляющая проводник. Предельным напряжением, при котором может возникнуть такая дуга, считается напряжение 30...35 6. При низковольтном питании происходит просто плавление проводника. Процесс этот занимает более продолжительное время, что в ряде случаев не спасает современные полупроводниковые приборы от повреждения.
Рис. 4.2. Помехозащищенная схема защиты нагрузки от превышения напряжения Усовершенствованная схема защиты нагрузки от превышения напряжения, дополненная резистором и конденсатором [4.2], показана на рис. 4.2. Резистор ограничивает предельный ток через стабилитрон и управляющий переход тиристора, конденсатор снижает вероятность срабатывания защиты при кратковременных бросках питающего напряжения.
Если полярность обратная, то диод VD1 открывается, и сгорает предохранитель FU1. Лампа EL1 загорается, сигнализируя об аварийном подключении.
Схема устройства, которое в случае аварии в электросети защитит телевизор, видеомагнитофон, холодильник и т.д. от перенапряжения, приведена на рис. 4.5 [4.5].
Устройство защиты от перенапряжения (рис. 4.6) выгодно отличается от предыдущих тем, что в нем не происходит необратимого повреждения элемента защиты [4.6]. Вместо этого при напряжении свыше 14,1 В пробивается цепочка стабилитронов VD1 — VD3, включается и самоблокируется тиристор VS1, срабатывает реле К1 и своими контактами отключает цепь нагрузки.
При возрастании напряжения на выходе устройства выше определенной величины через стабилитрон начинает протекать ток, который приводит к открыванию тиристора. Транзистор VT1 при этом закрывается, и напряжение на выходе устройства становится близко к нулю. Отключить защиту можно только отключением источника питания. |
4_1.jpg
4_2.jpg
4_3.jpg
4_4.jpg
4_5.jpg
4_6.jpg
4_7.jpg
6. Электронные предохранители и ограничители постоянного и переменного тока
Электронные предохранители и ограничители постоянного и переменного тока Ощутимым недостатком плавких предохранителей является их одноразовость, необходимость последующей ручной замены на другой предохранитель, рассчитанный на тот же ток защиты. Зачастую, когда под рукой нет подходящего, используют предохранители на другой ток или более того, ставят самодельные (суррогатные) предохранители или просто массивные перемычки, что крайне негативно отражается на надежности работы аппаратуры и небезопасно в пожарном отношении.
Рис. 5.1. Ограничение предельного тока нагрузки при помощи полевого транзистора
В ограничителе тока нагрузки (рис. 5.2) работают обычные биполярные транзисторы с коэффициентом передачи по току не менее 80... 100. Входное напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Транзистор работает в режиме насыщения, поэтому большая часть входного напряжения поступает на выход источника питания. При токе меньше порогового транзистор VT2 закрыт, и светодиод HL1 не горит. Резистор R3 выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит порог открывания транзистора VT2, он
Электронные предохранители [5.2] можно выполнить с использованием мощного полевого транзистора VT1 в качестве ключа (рис. 5.3 и 5.4). Ток срабатывания защиты определяется соотношением резистивных элементов и зависит, в первую очередь, от величины сопротивления датчика тока, включенного последовательно с полевым транзистором.
Ток защиты в зависимости от величины сопротивления датика тока — резистора R2 — может быть установлен от 20.. .30 мА о 1...2 А. Например, при R2=36 Ом ток срабатывания — 30 мА; ри R2=4 Ом — 0,5 А.
Рис. 5.6. Схема стабилизатора напряжения со звуковой индикацией перегрузки При работе стабилизатора ток нагрузки проходит через датчик тока R1, создавая на нем падение напряжения. Пока ток небольшой (при указанной на схеме величине этого резистора не более 0,3 А), транзистор VT1 закрыт. По мере роста тока потребления и, соответственно, увеличения напряжения на резисторе, транзистор приближается к порогу открывания. Когда напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 достигнет 0,7 В, он открывается и при дальнейшем росте тока переходит в состояние насыщения. При открывании транзистора выпрямленное напряжение поступает на акустический сигнализатор и приводит его в действие.
Для разблокировки схемы защиты достаточно кратковре--ю нажать кнопку SB1.
При суммарном сопротивлении резисторов R2 и R3 100 кОм таймер обеспечивает выдержку в 1 сек, при суммарном сопротивлении 200 кОм — 2 сек, 300 кОм — 3 сек и т.д. до 33 сек. Увеличить время выдержки на один-два порядка можно увеличением номиналов R2, R3 и С1.
Устройство [5.7], схема которого показана на рис. 5.9, предотвращает слишком глубокую разрядку элементов в батарее. Оно включается между аккумуляторной батареей и нагрузкой. Принцип действия основан на контроле напряжения на нагрузке. Когда оно снижается до уровня 1,1х пВ (где п — число элементов з аккумуляторной батарее) нагрузка и само устройство отклю-наются контактной группой реле, и ток через аккумуляторные элементы прекращается (если в самой батарее отсутствуют ка-<ие-либо неисправности). Таблица 5.1. Сопротивление резистора R1 при различном напряжении батареи
Данное устройство может давать ложные срабатывания, если к источнику питания подключают слишком мощную нагрузку, при которой напряжение батареи мгновенно «подсаживается». В этом случае отключение нагрузки еще не говорит о том, что элемент (элементы) батареи аккумуляторов разрядился до нижней допустимой границы. Повысить помехозащищенность
При коротком замыкании выходное напряжение резко уменьится, обмотка реле будет обесточена, что приведет к размыка-ию контактов и отключению аккумулятора от ЗУ. Повторное ключение после устранения неисправности осуществляется кноп-эй SB1. Конденсатор С1, заряженный до выходного напряжения эшрямителя, подключается к обмотке реле. Резистор R1 огранивает импульс тока при ошибочном включении, когда короткое тыкание на выходе еще не устранено.
Светодиод HL1 индицирует наличие короткого замыкания в нагрузке.
Эквивалентное сопротивление двухполюсника можно пред-авить как: R3=E/l=ExRM/U1. В свою очередь U1=E*RM/(R1+R2).
Ток в цепи стабилизатора можно плавно регулировать поворотом ручки потенциометра R2 в пределах от нескольких мА до 8 А, причем максимальный ток нагрузки при необходимости можно увеличить еще на порядок, применив вентиляторы, радиаторы, нарастив количество параллельно задействованных полевых транзисторов. |
5_1.jpg
5_10.jpg
5_11.jpg
5_12.jpg
5_13.jpg
5_2.jpg
5_3.jpg
5_4.jpg
5_5.jpg
5_6.jpg
5_7.jpg
5_8.jpg
5_9.jpg
7. Электронные предохранители переменного тока
Электронные предохранители переменного токаСхемы защиты радиоэлектронного оборудования, работающие на переменном токе, обычно более сложны и получили меншее распространение. Это обусловлено тем, что большинство полупроводниковых приборов работает на постоянном токе и, <роме того, надежность работы полупроводниковых приборов на повышенных напряжениях сетевого уровня невелика, поскольку пюбой случайный бросок напряжения, например, при переходных процессах, может легко пробить переход даже самого высоковольтного полупроводникового прибора.
Рис. 6.1. Схема полупроводникового биполярного предохранителя на позисторе Полупроводниковый биполярный «предохранитель» (рис. 6.1) способен защитить электронную схему от перегрузки по току [6.1]. ля уменьшения остаточного тока в отключенном состоянии в схе-ie использован позистор. Когда ток нагрузки меньше допустимого, ранзистор VT1 заперт, a VT2 — открыт и находится в состоянии насыщения. Падение напряжения на участке эмиттер — коллектор ранзистора VT2 мало. При перегрузке это напряжение заметно юзрастает, что вызывает открывание транзистора VT1 и возрастаие его коллекторного тока. При этом транзистор VT2 закрывается, ок через электронный предохранитель уменьшается. К позистору рикладывается значительно большее напряжение, в связи с чем
Рис. 6.2. Схема полуавтомата защиты аппаратуры при изменении напряжения сети Для питания обмотки электромагнитного реле К1 использован мостовой выпрямитель VD1 — VD4, подключенный к сети через гасящие конденсаторы С1 и С2. Включают устройство фатковременным нажатием на кнопку SB1. Реле К1 срабатыва-эт, его контакты К1.1 блокируют контакты пусковой кнопки. Конденсатор С1 обеспечивает необходимый пусковой ток реле при включении.
Рис. 6.3. Схема электронного предохранителя переменного тока Питание устройство контроля тока получает от простейшего выпрямителя с использованием гасящего конденсатора и параметрического стабилизатора на стабилитроне VD3. |
6_1.jpg
6_2.jpg
6_3.jpg
8. Полупроводниковые самовосстанавливающиеся элементы защиты электронных схем
Полупроводниковые самовосстанавливающиеся элементы защиты электронных схем Для нормального функционирования РЭА опасными являются стойкие или кратковременные превышения напряжения питающей сети. Известно, что в обычной питающей сети 220 В 50 Гц достаточно часто присутствуют опасные для бытовой аппаратуры высоковольтные (свыше 400 В) импульсы напряжения длительностью от десятых долей микросекунды до единиц миллисекунд [7.1].
Особенность работы такого индикатора исправности — использование светодиодов в нестандартном режиме. При исправных ограничителях VD1 и VD2 и положительном полупериоде напряжения сети (плюс — на верхнем по схеме сетевом проводе) ток беспрепятственно протекает через ограничитель VD1, открытый в прямом направлении, и через светодиод HL1. Ограничитель VD2 в это время закрыт.
Рис. 7.2. Типовая схема включения ограничителя напряжения с индикацией отказа В качестве элементов защиты от перенапряжений можно использовать двух- или трехэлектродные разрядники фирмы Siemens. Защитные устройства на базе элементов PolySwitch корпорации Raychem совместно с разрядниками Siemens обеспечивают многоразовую самовосстанавливающуюся защиту оборудования [7.7, 7.8]. |
7_1.jpg
7_2.jpg
7_3.jpg
9. Индикаторы отказа элементов схем
Индикаторы отказа элементов схем Для защиты радиоэлектронного оборудования от токовых перегрузок используют плавкие и тепловые предохранители с использованием биметалла или элементов с памятью формы, а также полупроводниковые предохранители с самовосстановлением, см. главу 7. Своевременная реакция на срабатывание системы защиты радиоэлектронного и электросилового оборудования позволит предупредить развитие аварийной ситуации, устранить причину неисправности.
При штатном режиме работы предохранитель шунтирует цепь, состоящую из резистора R1 и светодиода HL1 красного цвета свечения. Параллельно источнику питания и нагрузке
При токе через светодиод 10...20 мА величина этого сопротивления (кОм) примерно равна 50...10011ПИТ(В). При малых напряжениях в расчетах следует учитывать, что на светодиоде падает напряжение около 2 В, на диоде — 0,5...0,7 В. При работе
Пока предохранитель FU1 исправен, напряжение источника питания поступает на обе части светодиода HL1 одновременно. Если бы токи через них были близки по значению, то их общий цвет свечения был бы желтый или оранжевый. Однако, поскольку ВАХ светодиодов красного и зеленого свечения заметно различаются (ВАХ светодиода красного свечения идет круче), большая часть тока будет протекать именно через «красный» светодиод. Суммарный цвет свечения при параллельном включении двухцветного светодиода АЛС331А при исправном предохранителе будет красно-оранжевым.
При перегорании предохранителя ток протекает только через светодиод красного свечения.
Рис. 8.5. Схема индикатора перегорания предохранителя с защитой светодиодов от пробоя обратным напряжением
Рис. 8.6. Схема индикатора перегорания предохранителя для переменного и постоянного тока В случае перегорания предохранителя и при коротком замыкании в нагрузке ток протекает через индикатор. Диод VD1 и стабилитрон VD2 обеспечивают рекомендованный для светодиодов режим работы, резистор R1 ограничивает предельный ток через светодиод. Устройство работоспособно и в цепях постоянного тока при условии его подключения в соответствующей полярности.
Рис. 8.8. Схема индикатора перегорания предохранителя на двух светодиодах Диод VD3 обеспечивает защиту светодиодов от пробоя при отрицательной полуволне сетевого напряжения.
Рис. 8.9. Схема светодиодного индикатора перегорания предохранителя для цепей постоянного тока
Обычно для индикации перегорания предохранителя используют низковольтные трехполюсники постоянного тока: при срабатывании сигнализации можно наблюдать непрерывное свечение светодиода.
Рис. 8.11. Схема индикатора перегорания предохранителя для постоянного и переменного тока Роль времязадающего конденсатора в устройстве выполняет пьезокерамический излучатель BQ1, который, если использовать только светодиодную индикацию, можно заменить конденсатором емкостью 0,022...0,5 мкФ.
Рис. 8.12. Схема индикатора обрыва питания в цепи переменного или постоянного тока Индикатор можно применять в цепях постоянного и переменного (до 1 кГц) тока напряжением от 10 до 1000 В. Максимальный ток, протекающий через индикатор и короткозамкнутую нагрузку при срабатывании элемента защиты, ограничен резисторами R1 и R2 — при напряжении 220 В ток не превышает 0,5 мА. При работе на пониженном напряжении (менее 100 В) сопротивление резисторов R1 и R2 можно уменьшить. |
8_1.jpg
8_10.jpg
8_11.jpg
8_12.jpg
8_2.jpg
8_3.jpg
8_4.jpg
8_5.jpg
8_6.jpg
8_7.jpg
8_8.jpg
8_9.jpg
10. Индикаторы аварийного отключения источника питания
Индикаторы аварийного отключения источника питания Неплановое или несанкционированное отключение источника электрической энергии может повлечь для сложнотехниче-ских систем, радиоэлектронного бытового и производственного оборудования катастрофические последствия. Ущерб от создавшейся аварийной ситуации можно снизить за счет использования средств оперативного контроля и оповещения обслуживающего персонала о сложившейся аварийной ситуации.
Для индикации отключения источника электроэнергии на рис. 9.1 использован аналог оптрона на основе неоновой змпы HL1 и фотодиода VD1 (или фотосопротивления) [9.1]. В дущем режиме устройство потребляет от батареи питания на-эяжением 9 В минимальный ток. Пока светится неоновая лампа _1, сопротивление фотодиода VD1 мало, напряжение на входе 2 /ШО/7-тригтера первого элемента микросхемы DD1 минимально, а на выходе 3 — максимально (около 9 S).
При отключении сетевого напряжения конденсатор С1 начинает разряжаться. Как только напряжение на нем упадет до 2 6 и ниже, транзистор VT1 закроется, и на входе 1 микросхемы DD1.1 появится напряжение единичного уровня. Оба генератора запустятся, и из динамической головки ВА1 будет раздаваться прерывистый тональный сигнал частотой 1 ...2 кГц. В режиме тревожной сигнализации устройство питается от батареи гальванических элементов или аккумуляторов GB1 напряжением 4,5...9 В. В дежурном режиме эта батарея подзаряжается от сети через диод VD5 и токоограничивающий резистор R6. Диод VD4 обеспечивает закрывание транзистора VT1. |
9_1.jpg
9_2.jpg
9_3.jpg
11. Схемы резервирования источников питания
Схемы резервирования источников питания Для резервирования питания ответственных энергопотребителей используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой.
Кроме того, на светодиоде падает около двух вольт, необходимых для его работы. Световая индикация неустойчива при несущественной разности напряжений питания.
В исходном (штатном) режиме ток от источника основного питания Еа через светодиод-индикатор тока нагрузки поступает в нагрузку. Транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, резервная батарея питания Еь отключена. Как только произойдет отключение основного источника питания, светодиод HL1 погаснет, закроется транзистор VT1 и, соответственно, откроется транзистор VT2. Батарея Еь подключится к нагрузке.
Аккумуляторная батарея состоит из шести элементов Д-0,55. Ее ресурса хватает для автономной работы телефона в течение часа.
Дальнейшим развитием предыдущего устройства является автоматический коммутатор питания (рис. 10.7) [10.6]. Устройство предназначено для установки в любые носимые и переносные устройства (приемники, плейеры, магнитофоны), имеющие внутренние источники питания. Автоматический коммутатор питания позволяет автоматически переходить от внутреннего к внешнему питанию и обратно.
При наличии напряжения в сети часы питаются от нее во время положительных полупериодов, а во время отрицательных полупериодов — энергией, запасенной аккумулятором GB1 и конденсатором СЗ. При пропадании сетевого напряжения источником питания становится аккумулятор.
Рис. 10.9. Схема резервированного питания электронных часов С выхода стабилизатора (аналога стабилитрона и, одновременно, индикатора включения — светодиода HL1) напряжение питания через германиевый диод VD5 подается на электронные часы. В случае отключения сетевого напряжения часы получают питание от батареи GB1, при наличии сетевого напряжения ток выпрямителя подзаряжает элемент питания. В схеме не использован конденсатор фильтра. Роль конденсатора фильтра большой емкости выполняет сам элемент питания.
Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой (ИР/7) питается от источника управляющего сигнала (рис. 10.11), потребляя при этом минимальный ток (доли мА). Управляющий сигнал поступает на резистивный делитель R1, R2. Стабилитрон VD6 и диоды VD1 — VD5 защищают вход устройства от перенапряжения и неправильного подключения полярности. ИР/7 отключен контактами реле К1.1. Напряжение, снимаемое с резистора R2 и стабилитрона VD6, поступает через диод VD5 на электролитический конденсатор С1 большой емкости. Этот конденсатор при первом включении устройства заряжается до 9... 10 В за 2.. .3 минуты, после чего схема готова к работе. Скорость заряда и потребляемый устройством ток определяются резистором R1. Транзистор VT1 закрыт падением напряжения на VD5. Через диод VD7 и резистор R4 устройство подключено к ИР/7. |
10_1.jpg
10_10.jpg
10_11.jpg
10_2.jpg
10_3.jpg
10_4.jpg
10_5.jpg
10_6.jpg
10_7.jpg
10_8.jpg
10_9.jpg
12. Резервирование элементов устройств
Резервирование элементов устройств В технике электропитания зачастую является актуальным выполнение тех или иных функций даже в случае возникновения аварийных ситуаций. К задачам такого рода относятся, например, поддержание освещенности в помещениях пультов управления сложным техническим оборудованием, сохранение постоянным тока нагрузки цепей питания ряда источников питания и т.д.
Одна из наиболее простых схем, позволяющих дублировать основной источник светового излучения в случае перегорания его нити накала, показана на рис. 11.1 [11.1]. При включении устройства горит лампа EL1. Транзистор VT1 открыт, VT2 — закрыт. При обрыве в цепи смещения транзистора VT1 (перегорании лампы EL1, нарушении контакта в панельке) транзистор VT1 закрывается, соответственно открывается транзистор VT2 и включается лампа EL2.
Для контроля исправности лампы EL1 или иной резистив-ой нагрузки может быть использована схема, показанная на ис. 11.3 [11.3]. Нагрузка — лампа EL1 — питается постоянным эком через диод — датчик тока VD1. Пока через нагрузку проте-ает ток, на датчике тока — диоде VD1 падает часть напряжения итания — около 0,7 В. Это напряжение поддерживает в откры-эм состоянии транзистор VT1, в коллекторную цепь которого ключей светодиод HL1 и токоограничивающий резистор R1.
Слаботочная лампа накаливания EL3 индицирует наличие короткого замыкания в цепи лампы EL1.
Стоит этой лампе перегореть, коллекторный ток транзистора VT1 уменьшится, схема переключится, будет светиться вторая лампа ELr и соответствующий ей светодиод Hl_r.
Предельная мощность, рассеиваемая такой нагрузкой, определяется типом транзистора и площадью теплоотвода. Для указанного в первоисточнике типа транзистора максимальная длительно рассеиваемая мощность составляет 50 Вт. Эквивалент нагрузки в соответствии с полярностью питающего напряжения подключают к выходу источника постоянного тока. Через составной транзистор VT2 и VT3 может протекать ток до 4 А. Переключателем SA2 можно отключить мощный выходной транзистор VT3 и ограничить величину тока через эквивалент нагрузки до 0,7 А. Диапазон регулируемых эквивалентных сопротивлений составляет 1,5...4 Ом и 4...24 Ом, соответственно. |
11_1.jpg
11_3.jpg
11_4.jpg
11_5.jpg
11_6.jpg
13. Стабилизация параметров и защита цепей нагрузки
Стабилизация параметров и защита цепей нагрузки Аварийные ситуации при работе радиоэлектронного, да и любого другого оборудования, чаще всего возникают при переходных процессах, когда происходят резкие изменения состояния системы. По статистике наиболее часто повреждение оборудования происходит при его включении или выключении. На дестабилизирующее воздействие любая система реагирует с задержкой во времени. Эта инерционность для нагреваемых электрическим током приборов обусловлена массой и теплоемкостью нагреваемого материала. Так, например, разрушение (перегорание) нитей накала электровакуумных приборов происходит преимущественно в момент подачи напряжения на холодную нить. Мощность, выделяющаяся на нити накала в момент ее включения, превышает номинальную в 10 раз для ламп прямого накала и в 2...3 раза для ламп косвенного накала. Помимо возможного перегорания нити накала, мгновенное выделение значительной тепловой энергии в малом объеме способствует возникновению термонапряжений в конструкционных элементах лампы, растрескиванию стекла возле токовводов и т.д. [12.1].
Подстроечным резистором R1 выставляют необходимое напряжение накала (7 В), желательно при отключенном конденсаторе СЗ.
Плавное двухминутное нарастание выходного напряжения устройства в момент включения обеспечивается установкой в цепи коррекции и обратной связи микросхемы конденсаторов СЗ и С4.
Схема устройства, обеспечивающего «замедленный» режим включения ламп накаливания показана на рис. 12.4 [12.5].
Первичная обмотка трансформатора Т2 включена в на-кальную цепь кинескопа. К его повышающей обмотке подключен циодный мост VD1 — VD4, нагруженный на кенотрон VL1 и обеспечивающий, пока он закрыт, выходное напряжение 220...240 8 на некоторое время после включения питания. Это напряжение поддерживает в закрытом состоянии электронные прожектора <инескопа на время прогрева его катодов.
Для защиты осветительной лампы накаливания предназначено устройство, схема которого приведена на рис. 12.6 [12.7]. Оно обеспечивает плавную регулировку максимальной мощности лампы. При включении лампы переключателем SA1 геркон, закрепленный на язычке переключателя, включает зарядную цепочку, состоящую из накопительного конденсатора С1 и резистора R3. В процессе заряда конденсатора частота работы генератора импульсов на однопереходном транзисторе VT1 будет повышаться. На нить накала лампы будут поступать нарастающие по амплитуде
Поскольку на резисторе R1 избыточная мощность выделяя кратковременно, можно использовать резистор, рассчитан-й на мощность 2 Вт. Величина сопротивления этого резистора ч маломощных (до 60...75 Вт) ламп составляет 750 Ом, для бо-э мощных — 400 Ом и менее.
Рис. 12.8. Схема устройства двухступенчатого подключения нити накала кинескопа к источнику питания После того как напряжение на конденсаторе С1 (С2) превысит некоторый порог, откроется составной транзистор VT1, VT2 (VT3, VT4). Для этого достаточно 32 и 10 сек, соответственно.
Мощность, потребляемая устройством, не превышает 1 Вт и определяется, главным образом, типом используемых реле (ток срабатывания до 100 мА).
Светодиод HL2 является индикатором выходного напряжения и, одновременно, датчиком тока в цепи нагрузки. При увеличении тока нагрузки управляющий транзистор VT2 плавно запирается, ограничивая ток через транзистор VT1. Цепочка, состоящая из мощных германиевого диода VD6 (ДЗОЗ — Д306) и стабилитрона VD7 (Д815Б), ограничивает напряжение на нити накала при повреждении транзистора VT1 (коротком замыкании). Наконец, элементом защиты является плавкий предохранитель FU1, срабатывающий при длительном протекании сверхкритического тока через короткозамкнутый транзистор VT1, диодно-стабилитронную цепочку ограничителя напряжения (VD6, VD7) и нить накала.
Рис. 12.12. Схема устройства оптимизации режима эксплуатации кинескопа
Схема задержки подключения нагрузки, опубликованная в одном из зарубежных журналов, содержит тиристорный ключ, последовательно соединенный с нагрузкой (рис. 12.13). При включении питающего напряжения постоянного тока тиристор вначале заперт. После того как конденсатор С через резистор R1 и сопротивление нагрузки зарядится до напряжения переключения дини-стора VD1, он перейдет в проводящее состояние, а конденсатор С разрядится на управляющий переход тиристора. Тиристор переключится в проводящее состояние, когда падение напряжения на нем минимально (обычно единицы вольт) и подключит нагрузку. |
12_1.jpg
12_10.jpg
12_11.jpg
12_12.jpg
12_13.jpg
12_2.jpg
12_3.jpg
12_4.jpg
12_5.jpg
12_6.jpg
12_7.jpg
12_8.jpg
12_9.jpg
14. Методы восстановления химических источников тока
Методы восстановления химических источников тока
Помимо зарядно-разрядных операций для некоторых видов аккумуляторов актуальным вопросом является регенерация (вое-
В первых двух вариантах устройств зарядка постоянным стабильным током не является оптимальной. Исследованиями установлено [13.1], что в самом начале цикла зарядки аккумулятор наиболее восприимчив к сообщаемому ему количеству электричества. К концу зарядки процесс накопления энергии аккумулятора замедляется. |
15. Слаботочные зарядные устройства
Слаботочные зарядные устройстваОдин из наиболее простых способов зарядки серебряно-цинковых элементов типа СЦ-21 описан в работе [14.1]. Для этого параллельно соединяют элемент типа 373 («Орион-М») и восстанавливаемый элемент СЦ-21 (рис. 14.1). До зарядки напряжение на СЦ-21 составляло около 1,5 В. В процессе зарядки это напряжение достигло нормы: 1,55... 1,6 6, причем перезаряд элемента СЦ-21 исключен. Минимальное время восстановления заряда составляло 1...1.5 суток. В качестве батареи-донора можно использовать также элементы типа 343 и ему подобные элементы, напряжение на которых близко к 1,6 6. Поскольку ток зарядки невелик, то можно использовать отработанные сухие батареи.
Рис. 14.1. Подзарядка СЦ-21 от элемента 373
Рис. 14.2. Схема заряда батареи 2х2Д-0,1 от автомобильного аккумулятора Зарядка миниатюрных аккумуляторных батарей, таких, как 2х2Д-0,1 или 7Д-0,1 может производиться в полевых условиях от любых источников постоянного тока, в частности от автомобильных аккумуляторов напряжением 12 Б или бортовой сети напряжением 24...27 В [14.2]. Для зарядки аккумуляторной батареи 2х2Д-0,1 от 12-вольтовой аккумуляторной батареи зарядным током 24 мА необходимо в зарядную цепь включить последовательно ограничительное сопротивление (например, типа М/77) величиной около 110 Ом, как это показано на рис. 14.2.
Рис. 14.3. Схема устройства для регенерации гальванических элементов асимметричным током Значения сопротивлений резисторов устройства можно о ределить из выражений:
Рис. 14.4. Усовершенствованный вариант схемы зарядного устройства с сетевым питанием
Рис. 14.5. Схема простейшего устройства для зарядки марганцево-цинковых и ртутно-цинковых элементов и батарей асимметричным током Существует несколько схем получения асимметричного тока. Простейшая схема выпрямителя для зарядки МЦ и РЦ элементов и батарей приведена на рис. 14.5 [14.2].
Рис. 14.6. Схема устройства для получения асимметричного зарядного тока
Рис. 14.7. Вариант схемы устройства для получения асимметричного зарядного тока Следующая схема для получения асимметричного зарядного тока (рис. 14.7) использует два включенных навстречу диода [14.2]. Окончание заряда батареи в этой схеме определяется по прекращению роста напряжения, которое после достижения 6 В (для батарей КБС) уже не повышается вследствие уравнивания токов в обеих параллельных ветвях и протекания только переменной составляющей, не вызывающей увеличения напряжения.
Рис. 14.8. Схема устройства для зарядки серебряно-цинковых и никель-цинковых аккумуляторов асимметричным током
Рис. 14.9. Схема получения асимметричного переменного напряжения
Рис. 14.10. Схема получения регулируемого асимметричного переменного тока Рассмотренная выше схема трансформатора не позволяет получить на выходе регулируемое соотношение полуволн напряжения. Как следует из рис. 14.9, соотношение амплитуд полупериодов на выходе трансформатора остается неизменным. Впрочем, эту проблему легко можно разрешить, включив в схему дополнительный потенциометр R1 (рис. 14.10). Отметим, что вместо потенциометра R1 можно использовать и его транзисторный аналог — управляемое электрическим сигналом «сопротивление» на основе полевых или биполярных транзисторов.
Рис. 14.11. Схема преобразователя напряжения с регулировкой формы выходного напряжения
Рис. 14.12. Схема зарядного устройства с ограничителями-стабилизаторами зарядного тока на основе ламп накаливания Зарядное устройство (рис. 14.12) позволяет одновременно заряжать различным током несколько аккумуляторов [14.6]. Для зарядки используется пульсирующее напряжение, снимаемое с выхода мостового выпрямителя на диодах VD1 — VD4. В качестве ограничителей-стабилизаторов тока заряда использованы слаботочные лампы накаливания, включенные последовательно с заряжаемыми элементами.
Рис. 14.13. Схема устройства для защиты аккумуляторов от разряда ниже допустимой величины Стоит источнику напряжения GB1 разрядиться до напряжения, меньшего суммы напряжения стабилизации стабилитрона (или напряжения лавинного пробоя транзистора VT3) и падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, как
Схема (рис. 14.15) предназначена для раздельного заряда до шести химических источников тока [14.7]. Одновременно можно заряжать полностью разряженные аккумуляторы и те, которые необходимо подзарядить после хранения. Последние никогда не перезарядятся, если прекратить заряд одновременно с теми, которым необходимо полностью восстановить емкость. Вследствие технологического разброса при производстве аккумуляторов, каждый из них отдает различную емкость даже при соединении их в батарею, особенно это относится к длительно эксплуатируемым аккумуляторам.
Рис. 14.15. Схема зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов На схеме указаны номиналы для заряда аккумуляторов ЦНК-0,45. Зарядное устройство позволяет заряжать также аккумуляторы типов Д-0,06, Д-0,125, Д-0,25, но для каждого из них необходимо установить в цепи базы транзистора резистор, обеспечивающий соответствующий начальный ток заряда.
Рис. 14.16. Схема контроля окончания заряда Основой ее служит компаратор DA1. На неинвертирую-иций вход поступает напряжение 1,35 Б с движка подстроенного резистора R1. Через контакты кнопки SB1 на инвертирующий вход подают напряжение с контролируемого аккумулятора. Если при фиксации кнопки SB1 в нажатом положении светодиод HL1 начинает светиться, то аккумулятор" зарядился до номинального напряжения 1,35 В. Далее контролируют напряжение на следующем аккумуляторе и т.д.
Рис. 14.17. Схема зарядного устройства с автоматическим отключением
Рис. 14.18. Схема зарядного устройства на основе стабилизатора тока
Рис. 14.20. Схема зарядного устройства с ограничением зарядного тока
В схеме зарядного устройства (рис. 14.21) для заряда аккууляторов типа ЦНК-0,45 использован стабилизатор тока на микэсхеме типа КР142ЕН5А [14.9]. Ток заряда (50...55 мА) задан
В устройстве можно применить микросхемы типов SD1083, SD1084, ND1083 или ND1084.
Рис. 14.23. Схема зарядного устройства «ВС-100" для Ni-Cd аккумуляторов
Рис. 14.24. Схема усовершенствованного зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов Значение начального тока заряда определяется напряжением вторичной обмоти трансформатора и сопротивлением резистора R2. Но напряжения на выходе устройства
Рис. 14.25. Схема стабилизатора тока для заряда Ni-Cd аккумуляторов
Рис. 14.26. Схема устройства для восстановления серебряно-цинковых элементов СЦ-21 Для подзаряда серебряно-цинковых элементов СЦ-21 В. Пиц-маном [14.13] использована схема (рис. 14.26), в основе которой — задающий генератор на транзисторе и микросхеме К155ЛАЗ. К выводам 8 и 11 микросхемы DA1 подключены диодные цепочки, образованные из последовательно включенных кремниевых диодов КД102, встречно-параллельно которым подключен германиевый диод Д310. |
14_1.jpg
14_10.jpg
14_11.jpg
14_12.jpg
14_13.jpg
14_14.jpg
14_15.jpg
14_16.jpg
14_17.jpg
14_18.jpg
14_19.jpg
14_2.jpg
14_20.jpg
14_21.jpg
14_22.jpg
14_23.jpg
14_24.jpg
14_25.jpg
14_26.jpg
14_3.jpg
14_4.jpg
14_5.jpg
14_6.jpg
14_7.jpg
14_8.jpg
14_9.jpg
16. Слаботочные зарядные устройства с бестрансформаторным сетевым питанием
Слаботочные зарядные устройства с бестрансформаторным сетевым питанием Зарядное устройство с сетевым питанием (рис. 15.1) предназначено для подзаряда элементов СЦ-21 током 2.5...3 мА (время заряда 8. ..10 часов) или элементов РЦ-31 током 6. ..8 мА [15.1].
Схема, предложенная Е. Гумелей (рис. 15.2), не имеет понижающего трансформатора и питается от сети переменного тока 220 В [15.2]. Конденсаторы С1 и С2 должны выдерживать напряжение 250 6. Они могут быть заменены резисторами с суммарным сопротивлением 24 кОм и мощностью не менее 2 Вт. Схема предназначается для подзарядки батарей, частично разряженных, но не более чем до напряжения 1,1 6 на один элемент, так как подзаряд с помощью такой схемы предусматривает
Рис. 15.3. Схема выпрямителя для заряда никель-кадмиевых аккумуляторов
Рис. 15.4. Схема бестрансформаторного зарядного устройства Зарядное устройство (рис. 15.4) содержит выпрямитель с гасящим конденсатором С1 [15.3]. Стабильный зарядный ток через элементы GB1, GB2 обеспечивает лампа накаливания EL1. При напряжении заряда 4...20 6 зарядный ток поддерживается неизменным на уровне 35 мА. Следует отметить, что для обеспечения такого зарядного тока емкость гасящего конденсатора не должна превышать 0,5 мкФ.
Рис. 15.5. Схема зарядного устройства для батареи аккумуляторного фонарика с защитой от перезаряда Стабилитрон VD5 типа КС156 ограничивает предельное напряжение на батарее. Светодиод HL1 гасит на себе избыток напряжения и одновременно служит индикатором конца зарядки -начинает неярко светиться.
Рис. 15.6. Схема автоматического зарядного устройства для аккумулятора 7Д-01 Налаживают устройство при подключенном аккумуляторе и контрольном вольтметре постоянного тока. При напряжении 9,45 В на выводах аккумулятора подбором резистора R4 добиваются зажигания сигнальной лампы.
Рис. 15.7. Схема оптоэлектронного преобразователя с сетевым питанием Преобразователь может быть использован для питания электронно-механических или электронно-кварцевых часов, быть дублером их штатного источника питания — батареи или аккумулятора, а также использоваться для их подзарядки. Четырехэле-ментный оптронный преобразователь напряжения на аналогах оптронов (парах АЛ107Б-ФД256) способен обеспечить выходное напряжение порядка 0,5 В при токе нагрузки до 0,4...0,5 мА. Для этого емкость конденсатора С1, рассчитанного на напряжение не ниже 400 В, должна быть не менее 0,75... 1,0 мкФ.
Когда доработанное ЗУ соединяют с приемником, зеленое вечение светодиода HL2 (переключатель SA1 - - в положении Заряд») указывает, что цепь заряда исправна, а при подключе-ии ЗУ к сети красное свечение дополнительного светодиода HL1 видетельствует, что аккумуляторная батарея заряжается. Когда се есть зеленое свечение, а красного нет, — напряжение в сети тсутствует. Такой режим заряда батареи 7Д-0,125Д крайне неже-ателен, но там где он неизбежен — следует предусмотреть защиту от перезаряда. Для этого параллельно батарее включают стабилитрон VD2 с напряжением стабилизации 9,9 6 при токе 10... 12 мА. Подзаряжать батарею нужно через каждые 3...4 ч работы приемника (при средней громкости). Продолжительность заряда батареи — в 2...3 раза больше.
Рис. 15.9. Схема автоматического зарядного устройства При наличии напряжения в сети 220 В устройство постоянно подключено параллельно аккумулятору и представляет собой ключевой стабилизатор напряжения со стабильным током на выходе. Ток заряда (I3) зависит от емкости конденсатора С1 и при 10 мкФ равен 0,7 А. Ток выбирается из условия: I3 (24 часа) > 2lntn, где ln — ток потребления, A; tn — количество часов в сутки работы потребителя от аккумуляторов. |
15_1.jpg
15_2.jpg
15_3.jpg
15_4.jpg
15_5.jpg
15_6.jpg
15_7.jpg
15_8.jpg
15_9.jpg
17. Зарядные устройства повышенной мощности
Зарядные устройства повышенной мощности Простейшее зарядное устройство для автомобильных, тракторных и мотоциклетных аккумуляторных батарей обычно состоит из понижающего трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке выпрямителя. Последовательно с батареей включают регулятор тока — мощный проволочный реостат, транзисторный или тиристорный стабилизатор тока. На всех этих элементах выделяется значительная тепловая мощность, что снижает КПД зарядного устройства и увеличивает вероятность возникновения пожара.
Для восстановления батареи необходимо заряжать ее импульсами тока; в промежутках между импульсами она разряжается через специальный резистор, подключаемый параллельно батарее GB1. Разрядный ток при этом меньше зарядного в 10 раз, а по длительности в 2 раза больше [16.7]. Импульсы зарядного тока формируются схемой сравнения напряжения VT4, VD5 и тиристором VS1. Стабилитрон VD4 ограничивает напряжение до 18 6 (т.е. до половины амплитудного) после выпрямительного диода VD1. При достижении на аккумуляторной батарее ЭДС около 14 В стабилитрон VD5 закрывается, вызывая запирание транзистора VT4 и тиристора VS1. Так осуществляется автоматическое прекращение процесса заряда, но при условии, что к аккумуляторной батарее не был подключен разрядный резистор. Измерительный прибор РА1 регистрирует средний зарядный ток, который в 3 раза меньше истинного зарядного. При подключении разрядного резистора ток следует увеличить на 10%.
В случае, когда аккумулятор длительное время хранится без дела, он в результате естественного саморазряда и сульфата-ции пластин приходит в негодность.
Рис. 16.6. Схема устройства для подзарядки аккумуляторных батарей При саморазряде батареи до напряжения ниже 14,4 В начинается ее «мягкий» заряд малым током. Величина этого тока находится в обратной зависимости от напряжения на аккумуляторе, но в любом случае даже при коротком замыкании не превышает 0,3 А. При заряде батареи до напряжения 14,4 В процесс прекращается.
Рис. 16.7. Схема устройства для заряда автомобильных или тракторных аккумуляторов током 10...15 А Трансформатор Т1 — любой с габаритной мощностью не менее 400 Вт.
Рис. 16.9. Схема зарядного устройства для ионно-литиевых батарей на основе микросхемы МАХ1679
Рис. 16.10. Схема повышающего преобразователя для заряда 13,8 В аккумуляторной батареи УКВ-радиостанции от бортовой сети автомобиля Для повышения стабильности работы устройства при изменении температуры окружающей среды в пределах от 0 до 50°С использован термистор R2 типа NTC FENWAL 140-103LAG-RBI, имеющий сопротивление 10 кОм при температуре 25°С. |
16_1.jpg
16_10.jpg
16_2.jpg
16_3.jpg
16_4.jpg
16_5.jpg
16_6.jpg
16_7.jpg
16_8.jpg
16_9.jpg
18. Расчет разрядных характеристик элементов питания
Расчет разрядных характеристик элементов питания Прогноз характера поведения элементов питания при эксплуатации радиоэлектронных устройств позволяет правильно оценить оптимальный срок использования комплекта батарей, предупредить возможный или внезапный отказ техники, обосновать выбор элементов питания в проектируемых устройствах [17.1].
Не менее значимой характеристикой гальванических элементов является зависимость максимального времени разряда от величины разрядного тока. Для t0 5, где t0 5 — время разряда гальванического элемента до половины начального напряжения, это значение может быть определено по формуле, рис. 17.4.
Определить значение емкости гальванического элемента при варьировании тока разряда можно с использованием выражения, рис. 17.5. |
17_1.jpg
17_2.jpg
17_3.jpg
17_4.jpg
17_5.jpg
19. Приложение. Правила техники безопасности
Приложение. Правила техники безопасности Работы, сопряженные с использованием для питания радиоэлектронных и иных устройств электрической сети напряжением 220 В, особенно если речь идет о бестрансформаторных источниках питания, являются исключительно опасными. В этой связи особое внимание следует уделять строжайшему соблюдению правил техники безопасности. На рисунках книги схемы устройств, представляющих собой источник повышенной опасности, отмечены значком:
|
14. Техника УКВ радиосвязи
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
Как увеличить дальность работы радиостанции
Итак, вы решили приобрести для личного пользования автомобильную антенну.
Предположим, вы радиолюбитель и предпочитаете уверенный прием везде. Как все мы помним, качество и дальность радиосвязи зависит от:
- Рельефа местности (как легко можно понять, этот фактор, хотя и основополагающий, но от пользователя увы не зависящий.)
- Мощность передачи (но покупать дополнительно радиостанцию для использования только в условиях езды на машине (а носимые рации ограничены 5 Вт), это дополнительное удорожание.
- Высоты подъёма.
- Усиления антенны.
То есть проще говоря: чтобы вас услышали, нужно либо выбраться на открытое место (увеличить предел прямой видимости), либо забраться повыше (с той же целью) либо взять в руки «рупор» (увеличить коэффициент усиления антенны), либо «крикнуть погромче» (взять более мощную станцию).
Но. Мощная станция может быть только мобильная (до 50 Вт). Нам же необходимо вести переговоры как вне машины, так и в ней.
Решением может послужить установка мобильной (возимой) антенны на автомобиль с вводом с салон автомобиля кабеля с разъёмом.
Это сразу же решает несколько проблем.
- Мы получаем на выходе более высокое усиление. В среднем автомобильные антенны имеют усиление сигнала порядка 3 dBi (или по другому в 2 раза)
- Антенна установленная на крышу даст вам преимущество в высоте на 1,5-2 метра (в зависимости от диапазона в котором будет вестись работа)
- Не самое важное, но тоже чувствительное. Переговоры из машины это переговоры в тепле, комфорте а не беготня под дождем или ветром для нахождения точки принимаемого сигнала.
Но начнем по порядку.
 |
Мы имеем в руках рацию среднего ценового диапазона (как пример Yaesu VX-6R) работающую в широком диапазоне частот. И всё бы в ней было прекрасно. И «экстерьер» и мощность (до 5 Вт) и частотный диапазон (от 0,5 до 470 МГц). То есть мы успешно закрываем и КВ и LPD, и PMR диапазоны (433 и 446 МГц соответственно). Но увы. Какой бы носимая рация не была профессиональной, какую бы мощность не выдавала, но в густом лесу этого бывает недостаточно. А в случае например использования рации на охоте (загонной или «по номерам») расстояние может достигать до десяти километров. Прибавим к этому возможность нахождения в пути следования в естественных неровностях почвы (оврагах, сухих руслах рек) В общем случае, можно сказать одно. Связь в лесу, вне зависимости от оборудования вопрос спорный. |
Итак, попытаемся решить эту проблему.
В общем случае, нам необходимо получить следующую систему.
Антенна, поднятая как можно выше (как я уже писал выше например автомобильная), антенный кабель, переходник от разъёма антенны к разъёму рации , и рация.
Итак по оборудованию описанному выше. Разъём у рации большинства производителей (напомню мы говорим про носимые радиостанции) представляет собой разъём SMA (в зависимости от марки рации male или female). Внешний вид разъёмов представлен на рисунке.
Но следует учитывать, что при покупке антенны (какой именно, рассмотрим позже) мы получим на выходе разъём либо N-типа, либо PL-259 (также в литературе проходит под маркой UHF). То есть, либо вы будете вынуждены переделывать разъём на антенне, либо использовать переходник.
Переходник может быть как цельными (например представленный на рисунке переход SMA/PL под кодом SU-312 )
Но при постоянном подключении/выключении оборудования от антенны подобное жесткое крепление может привести к расшатыванию и даже деструкции разъёма радиостанции. Для того, чтобы избежать этого хорошим вариантом может служить гибкий переходник COMET HS-05
Гибкий кабель RG-58 длиной 50 сантиметров (также существует модификация с длиной в 1 метр COMET HS-10) с разделанными в заводских условиях разъёмами сохранит разъём радиостанции в целости.
Разберемся теперь с установкой и выбором антенны.
Итак при установке антенны на крышу автомобиля следует соблюдать следующие правила.
Устанавливать только на металлические детали.
Это связано с тем, что любая антенна требует так называемой подстилающей поверхности, то есть проще говоря, листа металла. Без него характеристики антенны начинают «плавать» непредсказуемо.
Не ставить две антенны рядом, а по возможности разносить при близких частотах.
Любая антенна, вне зависимости от диаграммы направленности очень чувствительна (особенно на КВ частотах) к находящимся в поле действия металлических предметов. Не следует также забывать, что при работе в спектра коротких волн передатчик может «вдуть» в антенну большую мощность, на которую может быть не рассчитан выход вашего приемника. А если это произойдет на близком расстоянии, то наводка может произойти непосредственно на вход приемника, что в свою очередь может привести к помехам и даже выходу его из строя.
Антенны могут быть разнесены как по вертикали, так и по горизонтали.
Решить изначально, каким образом будет производится крепление антенны.
Вообще креплений бывает 3 типа.
1. Врезное крепление.
К примеру ОРЕК АМ-207А
Основой врезного крепления является следующее. В корпусе автомобиля прорезается отверстие. Основание вставляется в него и далее фиксируется снаружи и изнутри гайками.
Основными плюсами является следующее.
- Такое крепление практически невозможно вырвать.
- Кабель находится в неподвижности.
- Контакт обеспечивается непосредственно основанием антенны.
Основные минусы.
- Невозможность переставить.
- Возможность потери герметичности со временем.
- Удобство только в случае, если пользователю требуется использовать много разных антенн на одном автомобиле с периодичностью либо при «мертвой» стационарной установке антенны и отсутвии необходимости в её демонтаже.
2. Крепление на водосток либо реллинг автомобиля.
К примеру ОРЕК AM-503
Крепление на водосток производится при помощи винтового соединения методом плотного прижима основания к подстилающей поверхности. Оно не требует нарушения целостности кузова автомобиля. Весь монтаж производится снаружи, затяжкой винтов крепления при помощи обычной крестовой отвертки либо, иногда, затяжкой 8 гранной головки винта или гайки.
Существенные плюсы:
- Простота и надежность установки
- В ограниченных пределах, возможность изменения положения антенны и соответственно разноса по горизонтали.
- Обеспечивает неподвижное крепление кабеля и отсутствие возможности его перегиба или излома в процессе эксплуатации
Существенные минусы.
- Плохой зачастую контакт с крышей. Особенно на старых автомобилях. Иногда для лучшего контакта требует зачистки поверхности от краски.
- Разбалтывание со временем. Подобное крепление требует периодической проверки.
- Обязательно требует герметизации разъёма антенны.
3. Крепление на магнит
К примеру ОРЕК АМ-1023.
Магнитное крепление ОРЕК АМ-1023Наиболее распространенным и простым является крепление антенны к крыше посредством магнитного основания.
В основу данного крепления, положена установка на металлическую часть крыши мощного магнита, который притягивает антенну к крыше автомобиля, что обеспечивает надежный контакт.
Существенный плюсы:
- Простота монтажа и демонтажа.
- Возможность настройки разносом в пределах длины кабеля
- Герметичность крепления.
- Не нарушает целостности кузова.
Существенные минусы:
- Меньшая надежность крепления (правда, следует отдать должное, магнит исключает поломку антенны при задевании, она ложится а не ломается)
- В случае неудачной установки возможен перегиб кабеля и даже его излом у основания.
В целом, каждое крепления предназначено для своих нужд и любое из них может быть удобно в том или ином случае.
Рассмотрим теперь то, что мы будем устанавливать на основание. Антенны, а если точнее то полотно или корпус антенны.
В зависимости от нужд пользователя антенны делятся по диапазонам и соответственно длинам.
Длины антенн бывают ¼, 5/8, ½ длинный волны, (или в просторечии «четвертушка» «восьмушка», «полуволновая».
Чтобы представить какой длины должна быть ваша антенна используйте формулу
L=с/f где L – длина волны, с = 300000 (скорость звука), f – частота сигнала.
Далее умножением на коэффициент укорочения (о нем я писал выше) вы получите реальную длину антенны.
Но, бывают и антенны работающие в широком диапазоне частот.
Например HVT-400B
 |
Данная антенна имеет диапазон (3,5/3,8/7/14/18/21/24/28/29/50/144/430 МГц) Настройка антенны производится посредством установки джампера в соответствующие гнезда антенны. Данная антенна может быть надежным подспорьем в работе и отдыхе |
|
 |
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
Построение рабочего места диспетчера
Итак, вы твердо решили использовать в работе рации или заняться радиолюбительским спортом.
Рассмотрим вкратце, что вам для этого понадобится.
Ну начнём с того, что далеко не любое оборудование подходит для использования для любой цели. Как говорится, «гвозди тоже можно забивать микроскопом», но всё же.
Итак, разобравшись с диапазоном, пройдя все необходимые процедуры (начиная от получения позывного, если вы радиолюбитель и заканчивая получением разрешений ГКРЧ, в случае использования в служебных целях) вы начинаете закупку оборудования.
Для начала построим рабочее место диспетчера. Нам понадобятся:
- Стационарная радиостанция.
- Блок питания
- Кабель.
- Антенная мачта с такелажем.
- Антенна
- Грозоразрядник
- Разъёмы
- Набор для герметизации.
Про установку антенны на крыше здания, я уже подробно рассказывал в предыдущем обзоре.
Рассмотрим теперь установку оборудования.
В комплект каждой стационарной радиостанции входит скоба крепления и кабель питания, так что со сборкой конструктивных элементов проблем возникнуть не должно.
Желательно производить установку антенны как можно дальше от металлических конструкций и с обязательным заземлением антенного кабеля и мачты. Первая точка заземления – у основания мачты, вторая – у места крепления антенны. Антенна обязательно заземляется на тело мачты.
Заземление производится с несколькими целями.
- Защита от ПУМ (прямой удар молнии) или от близкого удара молнии.
- Защита от промышленных излучений
- Защита от перенапряжений в сети питания.
В случае ПУМ, основная задача сводится к тому, чтобы спасти хотя бы что-то из оборудования. С той же целью в кабельную систему АФУ ставят грозоразрядники (о них мы расскажем позже.)
Из личного опыта, в случае прямого удара молнии мачта высотой 6 метров изготовленная из алюминия просто испаряется не оставляя практически никаких следов. Однако после стекания канала стимера в сеть заземляюшего контура дальнейшей деструкции не происходит.
Основным параметром заземления является её сопротивление. Чем этот параметр меньше, тем заземление лучше. Нормой считается согласно ПУЭ 1-7 порядка 10 ом.
Существует два основных способа организации заземления.
- Подключение к общей заземляющей шине здания. (именно здания, а не распределительного щитка)
- Организация контурной или штыревой системы заземления.
Но не следует забывать об одном важном моменте. Часто в сетях домовых нужд используют не заземление, а зануление. Эти два способа защиты имеют одно очень важное отличие. Каждое зануление имеет свой потенциал, зачастую отличающийся от потенциала земли на 1- 2 вольта. В случае одного заземления на точку – это не имеет значения. Но в случае двух и более подключений а разных точках на выходе можно получить постоянное напряжение до 6 вольт ( а напомню что 12 – это автомобильный АКБ, который запросто выдает пусковые токи, например в стартере автомобиля до 30 А, и пережигает проволоку за 15-20 секунд. ) именно поэтому категорически запрещено заземлять на внутреннюю проводку (в отличии от общедомовой шины – там как раз заземление) антенны и мачтовые устройства АФУ.
Глубинное заземление стало популярным с начала 21 века. Отличие от традиционного способа обустройства заземления – для достижения необходимого сопротивления растеканию тока используются вертикальные заземлители значительной (до 30 метров) глубины вместо большого количества трехметровых стальных уголков, объединенных стальной полосой. Уменьшение сопротивления достигается увеличением глубины погружения заземлителя.
 |
Популярность глубинного заземления обусловлена наличием ряда преимуществ по отношению к традиционному контуру:
Глубинное, так же как и традиционное заземление необходимо выполнять по нормам требований руководящих документов: |
Технический циркуляр №11/2006 от 11.10.2006
Далее, заземлив мачту вы берете выбранный кабель (исходя из погонного сопротивления и потерь) и прокладываете его до места установки. Монтаж грозоразрядника производится как правило в помещении, после ввода кабеля. Обязательно также заземлить грозоразрядник.
Коаксиальные кабели служат для соединения приемо-передающего оборудования с внешней антенной, а также для соединения аппаратуры. Так как любая антенна рассчитана на прием высокочастотного сигнала, то она одинаково хорошо воспринимает как полезный сигнал, так и мощнейшую наводку вызванную например близким разрядом молнии.
Амплитудные и мощностные характеристики этого импульса могут в порядки превышать полезный сигнал и, в отсутствие защиты почти с 100% случаев выводят из строя входной каскад оборудования. И в зависимости от качества антенны, чем оно лучше, тем больше импульс перенапряжения в цепи оборудования.
Мощность устанавливаемого грозоразрядника напрямую связано с передаваемой мощностью. Наибольшей популярностью пользуется технология так называемой четвертьволновой технологии.
Принцип её заключается в том, что отрезок проводника идущий с кабельной жилы на землю равен ровно ¼ длины волны полезного сигнала, то есть является изолятором для данной частоты. Все остальные сигналы, в том числе перенапряжения шунтируются на землю.
Установив блок питания для радиостанции и проведя кабель, мы получаем готовую систему. Не забывая провести герметизацию, соединяем отдельные блоки в цельную действующую систему при помощи разъёмов. Поставив блок питания и, при необходимости, резервный АКБ на выходе мы получим готовую к эксплуатации систему.
Выбор емкости резервного АКБ определяется следующим образом.
Емкость аккумулятора измеряется в ампер/часах, то есть за какое время этот аккумулятор будет разряжен током в 1 А. Но при выборе его следует учитывать что на АКБ должно оставаться 30% заряда во избежания проседания емкости при следующей зарядке.
То есть. Если вам, при нагрузке в 5 ампер необходимо поддерживать работу в течении 3 часов, то необходим АКБ емкостью
15 (3часа по 5 ампер)+30% = 20А/ч.
Установку радиостанции в автомобиле и особенности её монтажа мы рассмотрим в следующей статье.
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
Просто о сложном в настройке антенн
Статья написана для новичков, тех, кто первый раз собирается настроить антенну для работы на нужном ему канале (частоте).
Статья описывает основные моменты настройки простых однодиапазонных антенн - автомобильных врезных, на магнитном основании или базовых.
Что нужно для настройки антенны
Прежде всего прибор, который показывает соотношение прямой (поступающей от радиостанции в антенну) и обратной (отражающейся от антенны) волны в кабеле.
Такой прибор показывает, насколько выходное волновое сопротивление радиостанции отличается от сопротивления кабеля и входного сопротивления антенны.
Называется прибор "измеритель КСВ" или "КСВ-метр".
Его можно приобрести или на время попросить у кого-нибудь из знакомых, у кого он имеется.
КСВ-метр не работает без радиостанции. Поэтому будем использовать ту же радиостанцию, для которой настраиваем антенну.
Для измерения полотна антенны и определения на сколько сантиметров укорачивать или удлинять нам потребуется рулетка или линейка.
В принципе можно обойтись и без рулетки или линейки, выполняя настройку пошагово, укорачивая или удлиняя полотно антенны.
Основные положения при настройке антенны
Антенну нужно настраивать по месту, где она будет установлена. Следует иметь ввиду, что расположенные рядом токопроводящие предметы будут влиять на настройку и эксплуатацию антенны. Для автомобильной антенны такими предметами могут быть элементы кузова или багажника. На стационарную антенну могут оказывать влияние электрические провода, растяжки и металлическая крыша.
Базовая (стационарная) антенна потребует мачту, которая позволит снимать и устанавливать, поднимать и опускать её. Это необходимо для настройки и технического обслуживания антенны.
Если это автомобильная антенна, то автомобиль следует запарковать так, что бы рядом была именно та обстановка, которая будет при езде. В момент измерений при настройке у автомобиля должны быть закрыты двери, багажник. Не стоит самому стоять рядом с машиной, тело человека поглощает радиоволны и тем самым вносит потери, влияет на работу антенны.
На расстоянии 2-3 длины волны от антенны не должно быть движущихся токопроводящих объектов.
Все соединения приборов должны быть надёжными.
Не стоит держать всё "на весу", руками прижимая к контактам кое-как зачищенные куски кабеля, которые вот-вот выпадут из разъёмов.
Надёжные соединения нужны, что бы показания прибора не изменялись как им вздумается, не "плавали".
Как пользоваться КСВ-метром
Подключаем кабель к антенне, другой конец кабеля к КСВ-метру, к разъёму "ANT", разъём КСВ-метра "TRANS" подключаем к антенному разъёму радиостанции.
Включаем радиостанцию и устанавливаем частоту, на которой будем производить измерение КСВ.
Если есть переключатель SWR/PWR переводим в положение SWR.
Переключатель на КСВ-метре "FWD/REF" в положение FWD.
Нажимаем на передачу на радиостанции и устанавливаем регулятором торчащим из КСВ метра стрелку на конец шкалы. Эта процедура называется калибровкой.
Отпускаем передачу.
Затем, устанавливаем переключатель "FWD/REF" в положение REF.
Нажимаем на передачу и отсчитываем на индикаторе показание КСВ. Чем меньше отклониться стрелка тем меньше КСВ, тем лучше для работы антенны. В идеальном случае КСВ равняется единице. Значение КСВ при котором не рекомендуется эксплуатировать радиостанцию-2. При показаниях прибора более 3 возможен выход из строя передатчика радиостанции.
Настройка антенны - шаг за шагом
Соединяем всё для измерения КСВ, как было сказано выше, антенну в рабочее положение.
- Устанавливаем на радиостанции самую высокую частоту, которую способна выдавать радиостанция или номер канала соответствующий такой частоте,
например канал 40 сетки G (точнее смотрите в инструкции к радиостанции).
- Измеряем КСВ, двигаясь вниз по частотам примерно через 200 кГц (20 каналов), запоминаем, на какой частоте (канале, сетке) был минимум КСВ.
Теперь есть несколько вариантов:
КСВ везде большой, прибор "шкалит".
Или вы не так пользуетесь КСВ метром или у вас обрыв в кабеле или антенне.
КСВ плавно, по мере уменьшения частоты падает, но до минимума мы не дошли.
Ваша антенна слишком длинная. Надо укорачивать. В укорочении стоит помнить золотое правило: "семь раз отмерь, один раз отрежь". Укороченное прилепить назад в больинстве случаев невозможно, так что укорачиваем по чуть-чуть, для антенн Си-Би диапазона 27МГц чуть-чуть это примерно 1 сантиметр, для LPD или PMR антенн диапазона 433-446МГц чуть-чуть это 2 миллиметра.
КСВ по мере уменьшения частоты возрастает.
Ваша антенна слишком короткая. Антенну нужно удлинить. Насколько именно - лучше процентов на 20, а потом укорачивать.
КСВ по мере уменьшения частоты падал, на некоторой частоте он стал минимален, а потом, по мере дальнейшего уменьшения частоты снова стал возрастать.
Это наиболее частый случай.
Означает такое поведение, что всё нормально, антенна работает в нужном диапазоне, осталось только подстроить её на нужную частоту (канал).
Если у вас этот случай, то желательно найти точно на каком канале минимум КСВ.
Если частота на которой был минимум КСВ ниже чем нужная вам, то антенну надо чуть-чуть укоротить, буквально по 5 миллиметров, если речь идёт о диапазоне 27МГц, после каждого укорачивания смотреть где сейчас минимум КСВ, и укорачивать так до тех пор, пока минимум КСВ не окажется на нужной вам частоте.
Если частота на которой был минимум КСВ выше нужной вам, то антенну нужно удлинить.
Что делать, если минимальный КСВ на нужной частоте, но это минимальное значение всё ещё большое
Это говорит о том, что антенна работает не совсем так, как задумано производителем.
Если это автомобильная врезная антенна, то может быть ей "не хватает массы", то есть контакт с массой плохой.
Если это автомобильная антенна на магните, то ей тоже может "не хватать массы", например слой краски слишком толстый.
Или ваша автомобильная антенна стоит там где не следует ставить - рядом с элементами металлического багажника на крыше, рядом с дополнительным светом который вы навесили на багажник, вы её вообще примагнитили на капот или багажник, бампер или диск колеса.
Может быть, вы закрепили врезную антенну на алюминиевые полозья багажника, который у вас на крыше, но багажник оказался не алюминиевый, а пластиковый или не имеет надёжного контакта с массой автомобиля, или недостаточно длинный и широкий, что бы выполнять роль массы для антенны.
Если антенна на магнитном основании, попробуйте поискать другое место, перемещая с угла крыши, по центру крыши, с другого угла.
Если антенна врезная, посмотрите, хорошо ли вы зачистили от краски место, куда крепится контакт массы антенны.
Если врезную антенну вы закрепили на багажнике или каком то крепеже на водосток, попробуйте улучшить контакт с массой.
Если у вас не автомобильный, а базовый вариант антенны, то рекомендации те же. Отсутствие надёжной "массы" или недостаточно "массы" или противовесов, входящих в комплект антенны и выполняющих роль той же "массы", зачастую не позволяют добиться приемлемого КСВ.
Очень вероятно и то, что вашей базовой антенне мешает натянутая рядом линия вашего провайдера или мачта коллективной телевизионной антенны.
При настройке антенны важно запастись терпением. Не отчаивайтесь, если что-то не получается и показания КСВ сильно отличаются от необходимого значения. Если коэффициент стоячей волны вашей антенны не более 1,5-считайте, что вы справились с настройкой.
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
Установка мачты на почву или крышу
Итак, вы используете радиосвязь в работе или в радиолюбительском спорте. И одна из первых проблем возникающих на первых порах, помимо принятия решения, это установка антенны.
Всем известно, что дальность и качество радиосвязи на частотах УКВ зависит от следующих факторов, при прочих равных условиях.
- На 30% от пределов прямой видимости
- На 50% от настройки оборудования.
- На 20% от мощности передатчика.
То есть проще говоря, чтобы тебя услышали нужно либо крикнуть погромче, (мощность передатчика) либо залезть повыше (высота подвеса антенны и предел прямой видимости), либо стараться состроить систему.
Но есть нюансы:
- Настройка аппаратуры, величина как правило устойчивая. И от внешних факторов кроме физического воздействия не зависящая.
- Мощность передатчика – также величина не бесконечная. Она определена законодательно и также заложена в передатчик.
Остается последняя переменная величина – высота подвеса. Казалось бы чего проще. Поставить на крышу антенну (прикрутив например её к парапету) и получить уверенность в правильном решении. Но увы. Не тут то было.
- Антенны безумно чувствительны к попадающим в поле диаграммы направленности предметам. (таким как непосредственно сама крыша, её обрещетка, бордюры, тросы , провода коммуникаций) КСВ по собственному опыту падает на 0,5-1,0.
- В случае КВ антенны (напомню что мы говорим о диполе примерно 50 метров) подобная установка вообще неприемлема. Антенна будет светить строго в зенит, и отражение сигнала от ионосферы не будет иметь смысла.
- Стоящая на крыше антенна – это не только ценный инструмент связиста, но и объект интереса вандалов. Предусмотреть кражу, а уж тем более при низкой установке невозможно.
- Далеко не всегда есть подходящая крыша. Например при низкой застройке.
Ответом на все эти вопросы могут служить антенные мачты.
Итак: отдельно стоящие мачтовые конструкции бывают двух типов. Мачтовые, и башенные.
Главное отличие у них одно. У мачты есть оттяжки, у башни нет.
|
Радиобашни чаще находят применение в случае когда есть возможность хорошо закрепить основание. Вне зависимости от высоты самой конструкции башня держится в вертикальном положении только за счёт крепления основания и собственной геометрии. Именно поэтому они и напоминают всегда в той или иной степени треугольник или трапецию стоящие на стороне углом вверх. Самая известная в мире радиобашня Эйфелева. Но. Радиобашни всегда требуют организации отмостки под основание (условно говоря, можно сказать, что они «растут вглубь) Именно этим и обусловлено, что в теории высота возможной по высоте радиобашни ограничена. Или, говоря по другому, чем больше высота, тем больше и глубже должна быть отмостка под башню, и с тем большей трудоемкостью связана её установка. |
Радиомачты большой высоты чаще используются в случаях установки на открытых пространствах. Они условно говоря «растут вширь» из-за установки оттяжек.
 |
Самой высокой телерадиомачтой считается KVLY-TV в городе Блашар, расположенном в Северной Дакоте, США. Высота этой мачты 628 м, а передатчик размещается на высоте 610 м. Цифровой передатчик устроили несколько ниже: на высоте 576 м. Телерадиомачту в 1963-м году возвела компания «Хэмилтон элетрик компани». В свою очередь мачты бывают стоечные и ферменные. Ферменная мачта – это конструкция, представляющая собой сваренные между собой несколько (3 либо 4 ) стойки. К плюсам таких мачт относится жесткость, из-за сложной геометрии, и несравненное удобство в монтаже. |
Итак. Вы выбрали подходящее место под установку мачты (например ровную крышу или площадку во дворе дома. После установки основания. (на анкерные болты, химический анкер, проваркой – в случае установки на крышу, при помощи закладных элементов, или свай при установке на грунт. ) вы собираете мачту и подготавливаете оттяжки.
В теории угол установки оттяжек не должен быть меньше 30 градусов для верхней оттяжки. На практике, при установке трёх ярусов, них растягивают в идеале под 45. То есть при установке мачты в 10 метров вам необходимо отнести оттяжки не ближе 10 метров от мачты по горизонтали.
Также следует учитывать, что при установке мачты, даже небольшой высоты, а значит и веса крайне нежелательно проводить крепление оттяжек к не любым не несущим конструкциям, таким как ограждения, рамы, металлические трубы отопления, решетки вентиляции. Производить крепление в плоскость крыши также не желательно Это обусловлено двумя факторами.
- Любую крышу, рано или поздно будут ремонтировать. И ремонт начинают с того, что отрезают всё лишнее.
- Даже при наличии разрешения на установку (получается в ТСЖ или любой управляющей компании) никто не погладит вас по голове за испорченный водосток.
- Как известно крепость конструкции определяется крепостью самого слабого её звена. Замена элементов перекрытий чердака проводится планово раз в 15-20 лет. Вы уверены, что за это время ограждение не проржавело а косяк не рассохся?
Крепление следует проводить металлическим тросиком. Если же в поле вашей антенны попадает оттяжка, то рекомендуется изготовление из радиопрозрачного канатика. Растяжку производят либо на 4 стороны под 90 градусов, либо на 3 стороны под 120 градусов.
Методика подъема антенны при большом весе установленного оборудования существует следующая.
Метод прямого подъема.
При больших весах не используется в силу трудоемкости.
Мачту берут за верхний конец и перехватываясь поднимают двигаясь к основанию.
Одновременно сильно тянут за противоположную оттяжку. Обязательно требует страховки всех оттяжек не только в процессе подъёма, но и в процессе растяжки мачты.
Метод Подращивания.
Используется в ферменных конструкциях. Сборка мачты осуществляется непосредственно в процессе установки.
После установки основания и первого яруса оттяжек, следующее колено устанавливают и закрепляют на него уже непосредственно в процессе монтажа.
Хорошо применимо при небольшом весе коленей мачты (например если мы имеем дело с алюминиевой ферменной мачтой 30Х30 с длиной колена не более 3 метров.
Из минусов. Требует постоянной страховки и предельной внимательности. Мачта не упадет, она растянута и она железная. Но подобный монтаж требует высокой организованности и обязательной страховки веревкой, аналогичной опорным высотным работам.
Метод Падающей стрелы.
Наиболее технологичный и безопасный метод установки. После того, как мачта собрана примерно на высоте две трети от её высоты крепится (желательно узлом «восьмерка» или «самосброс») крепкая веревка (обязательно статической нагрузки) веревка кладется вдоль тела мачты и закрепляется на лебедке (использовали при подъёме мачты 25 метров лебедку на 800 кг). Далее около основания мачты устанавливается та самая «падающая стрела» на практике – доска 50 мм длиной до 3 метров, и надежно фиксируется.
Далее подъём не представляет физической трудности. Следует однако следить за ровностью подъёма и надежно фиксировать все элементы. В процессе подъёма, когда давление на «стрелу ослабевает она просто выскальзывает и падает от основания мачты.
Метод падающей стрелы преобладает в случае больших длин и соответсвенно весов конструкций. Сборка мачты и подъём осуществляются уже с установленной антенной и кабелем.
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
Установка радиостанции в автомобиль
Выбор места установки, проведение кабеля, выбор места установки антенны.
Итак, организовав рабочее место диспетчера, в чем мы надеемся вам оказалась небесполезна предыдущая статья вы начинаете расширять используемую Вами систему за счёт оборудования абонентов возимыми и носимыми радиоэлектронными средствами.
Если с носимыми станциями вопрос проще, их, прошитыми, можно просто раздать пользователям и отслеживать только зарядку аккумуляторов, то возимые радиостанции требуется ещё установить. В этой статье мы вкратце остановимся именно на вопросе установки радиостанций в авто.
Первое, помимо выбора диапазона радиостанции и частотного ресурса, совпадающего с аналогичным ресурсом базовой станции, существует несколько существенных моментов на которые следует обратить внимание.
Итак вам понадобятся:
- Радиостанция
- Антенна настроенная на необходимый частотный диапазон.
- Основание для крепления антенны
Начнем с крепления антенны.
 |
Итак при установке антенны на крышу автомобиля следует соблюдать следующие правила. 1) Устанавливать только на металлические детали. 2) Не ставить две антенны рядом, а по возможности разносить при близких частотах. Антенны могут быть разнесены как по вертикали, так и по горизонтали. 3) Решить изначально, каким образом будет производится крепление антенны. |
Вообще креплений бывает 3 типа.
1. Врезное крепление.
К примеру ОРЕК АМ-207А
Основой врезного крепления является следующее. В корпусе автомобиля прорезается отверстие. Основание вставляется в него и далее фиксируется снаружи и изнутри гайками.
Основными плюсами является следующее.
- Такое крепление практически невозможно вырвать.
- Кабель находится в неподвижности.
- Контакт обеспечивается непосредственно основанием антенны.
Основные минусы.
- Невозможность переставить.
- Возможность потери герметичности со временем.
- Удобство только в случае, если пользователю требуется использовать много разных антенн на одном автомобиле с периодичностью либо при «мертвой» стационарной установке антенны и отсутвии необходимости в её демонтаже.
2. Крепление на водосток либо реллинг автомобиля.
К примеру ОРЕК AM-503
Крепление на водосток производится при помощи винтового соединения методом плотного прижима основания к подстилающей поверхности. Оно не требует нарушения целостности кузова автомобиля. Весь монтаж производится снаружи, затяжкой винтов крепления при помощи обычной крестовой отвертки либо, иногда, затяжкой 8 гранной головки винта или гайки.
Существенные плюсы:
- Простота и надежность установки
- В ограниченных пределах, возможность изменения положения антенны и соответственно разноса по горизонтали.
- Обеспечивает неподвижное крепление кабеля и отсутствие возможности его перегиба или излома в процессе эксплуатации
Существенные минусы.
- Плохой зачастую контакт с крышей. Особенно на старых автомобилях. Иногда для лучшего контакта требует зачистки поверхности от краски.
- Разбалтывание со временем. Подобное крепление требует периодической проверки.
- Обязательно требует герметизации разъёма антенны.
3. Крепление на магнит
К примеру ОРЕК АМ-1023.
Наиболее распространенным и простым является крепление антенны к крыше посредством магнитного основания.
В основу данного крепления, положена установка на металлическую часть крыши мощного магнита, который притягивает антенну к крыше автомобиля, что обеспечивает надежный контакт.
Существенный плюсы:
- Простота монтажа и демонтажа.
- Возможность настройки разносом в пределах длины кабеля
- Герметичность крепления.
- Не нарушает целостности кузова.
Существенные минусы:
- Меньшая надежность крепления (правда, следует отдать должное, магнит исключает поломку антенны при задевании, она ложится а не ломается)
- В случае неудачной установки возможен перегиб кабеля и даже его излом у основания.
В целом, каждое крепления предназначено для своих нужд и любое из них может быть удобно в том или ином случае.
Рассмотрим теперь то, что мы будем устанавливать на основание. Антенны, а если точнее то полотно или корпус антенны.
В зависимости от нужд пользователя антенны делятся по диапазонам и соответственно длинам.
Длины антенн бывают ¼, 5/8, ½ длинный волны, (или в просторечии «четвертушка» «восьмушка», «полуволновая».
Чтобы представить какой длины должна быть ваша антенна используйте формулу
L=с/f где L – длина волны, с = 300000 (скорость звука), f – частота сигнала.
Далее умножением на коэффициент укорочения (о нем я писал выше) вы получите реальную длину антенны.
Но, бывают и антенны работающие в широком диапазоне частот.
Например HVT-400B
 |
Данная антенна имеет широкий диапазон рабочих частот (3,5/3,8/7/14/18/21/24/28/29/50/144/430 МГц) |
|
 |
После установки антенны на основание можно начинать прокладку кабеля. В комплекте с основаниями всегда идет кабель RG-58 длинной не менее 3 (как правило 4) метра. Проводка ведется в наиболее удобном месте под переборками и ковриками автомобиля с целью предотвращения обрыва кабеля от ног или деталей автомобиля. Основными способами проводки из личного опыта являются введение кабеля через крышу или под капотом автомобиля.
При первом способе трасса кабеля проходит следующим образом:
Крыша автомобиля сверлится (мы рассматриваем вариант крепления на магнит, при врезном креплении, дополнительное отверстие не требуется), далее кабель прокладывается под обшивкой потолка до места установки ремня безопасности. Далее вдоль коробки защищающей ремень (ни в коем случае не в самой камере ремня безопасности) под обшивкой до пола или до порога. Далее под порогом и до непосредственно радиостанции. Предпочтительно проводить кабель со стороны пассажирского сиденья. Крепление удобно производить на стяжки к выступающим частям, либо при помощи крепления на липучку (продается в швейных магазинах, аналогично застежке на куртку).
При втором способе кабель вводится по краю крыши до крышки капота и далее, в зависимости от конструкции, проходит либо вместе с питающим пучком кабелей, либо вводится через отверстие воздухозаборника. Следует избегать контакта кабеля с движущимися частями и высокими температурами в двигателе. Далее кабель проводится к месту установки рации под приборной панелью или, в зависимости от места установки под ковриками или обшивкой.
Поговорим теперь о разделке разъёма на кабеле
Установку разъема рассмотрим на примере BNC разъёма. BNC разъемы для разделки под обжим поставляются в комплекте:
- корпус разъема
- обжимная гильза (муфта)
- центральный контакт
Производить работу рекомендуется с использованием специальных инструментов:
 |
приспособление для зачистки коаксиального кабеля (cable stripper) с тремя лезвиями; Приспособление для зачистки коаксиального кабеля должно быть отрегулировано так, чтобы: лезвие, прорезающее кабель наиболее глубоко, прорезало внутреннюю изоляцию до центрального проводника, не повреждая его; |
Затем проводят обжимку разъема на кабеле клещами.
Последовательность операций:
- на центральный проводник кабеля надеть центральный контакт разъема, так чтобы он упирался во внутреннюю изоляцию кабеля. При необходимости следует немного укоротить центральный проводник кабеля. Вставить центральный контакт, надетый на кабель в губки клещей, чтобы он упирался выступающим на его конце буртиком во внутренний край губок обжимного устройства, предназначенного для обжима центральных контактов, и произвести обжимку до срабатывания ограничителя;
- надеть на кабель обжимную гильзу;
- раздвинуть проводники оплетки кабеля и надеть корпус разъема;
- Поставить корпус разъема на твердую поверхность, установить центральный проводник в корпус разъема, и надавить кабель, чтобы центральный контакт разъема оказался на одном уровне с краем корпуса разъема;
- Сдвинуть обжимную гильзу к корпусу разъема, прижать проводники оплетки к корпусу разъема, вставить обжимную гильзу в губки клещей, прижать гильзу к корпусу разъема и сжать клещи до срабатывания ограничителя;
Правильно установленный BNC разъем можно использовать до частоты 4ГГц.
Рассмотрим теперь как правильно выбрать место установки радиостанции.
Очень частой ошибкой является установка по приборную панель. Единственной объективной причиной для этого является разве что «все так делают» и «я видел что так ставят сотрудники ГИБДД».
Да, ставят. На УАЗ-ах. Где безумно высокая, а главное пустая приборная панель на которой практически невозможно задеть радиостанцию коленом. Но когда таким образом ставят радиостанцию на легковой автомобиль – она начинает цепляться за все выступающие части в машине.
Из личного опыта, если в салоне не предусмотрено крепление под радиостанцию (штатное крепление часто располагают под магнитолой) то устанавливать удобно либо под сиденье, либо между сиденьями, если рукоятка переключения передач не будет мешать тангенте. Вообще существует только одно правило установки. Рация не должна находиться дальше вытянутой руки от пользователя (при переключении каналов) и не должна находиться близко от движущихся частей (руль, рулевая рейка, коробка передач).
Питание радиостанции берут либо непосредственно с АКБ, либо от проводов зажигания. Питающее напряжение составляет 13,2 В. Если питание сети автомобиля 24 вольта, но необходимо будет установить преобразователь напряжения на 12 вольт.
Надеюсь, что эта статья окажется полезной в Вашей работе.
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
Цифровые Китайские радиостанции - HQT DH-8100
Цифровые Китайские радиостанции. HQT DH-8100.
(Субъективный обзор)
После проведения испытаний REXON RL-800D меня очень заинтересовало, какие ещё марки станций китайского производства, помимо известных лидеров рынка, таких как Моторола, Vertex, Yaesu можно найти.
Сегодня я рассмотрю радиостанцию HQT DH-8100.
Заинтересовала она меня в первую очередь своим производителем. Все рации этой марки попадавшие мне в руки обычно отличались приличным качеством изготовления.
Но начну, как всегда с внешнего вида.
Радиостанция поставляется в комплекте с антенной, ЗУ, АКБ, клипсой, то есть полностью укомплектованной для начала работы.
Довольно увесистая и габаритная, однако в руке лежит неплохо. Порадовала заглушка разъёма, как и он сам, напоминающая, как и у REXON-а Мотороловский.
Итак вес рации 340 г. Габариты 126 х 53 х 33 мм.
В первую очередь я почитал отзывы о ней в Интернете. По заявленным характеристикам рация обладает IP-67, TDMA сжатием и VOX. Явных отрицательных отзывов на неё не имелось. По отзывам, хорошая станция для работы, особенно в службах сервиса и охраны.
В целом по первому впечатлению – профессиональная станция с 16 частотными каналами
Корпус радиостанции изготовлен из пластика. Явных щелей и литников не имеет. Корпус литой, практически лишенный резиновых вставок, способных к отслаиванию и деструкции от времени или от солнца. Сами программируемые функциональные кнопки (а их две под кнопкой PTT) мягкие.
переключатели на верхней панели четко фиксируются в положении каждого канала.
Клипса надежно крепится на тело радиостанции, (а не на аккумулятор, что удобно.)
Антенна имеет винтовое крепление «под натяжку» что исключает попадание воды в разъём.
Верхние переключатели каналов и громкости изготовлены под резиновую прокладку и не выпадают.
Кнопка тревоги расположена так, что случайное нажатие практически исключено.
АКБ крепится в тело радиостанции на защелках. Крепление на мой взгляд даже избыточное, снимается не слишком хорошо, однако говорить о возможности выпадания АКБ не приходится. Сам АКБ Li-ионный емкостью 2100 мАч согласно техническому описанию поддерживает работу до 10 часов в аналоговом и до 15 часов в цифровом режиме. Опционально может поставляться и АКБ на 2500 мАч.
Аксессуарный разъем как уже указывалось выше выполнен по принципу, ранее использовавшегося Motorola
Разъём надежно фиксируется клипсой в верхнем положении и винтом в нижнем, что дает уверенность, в надежности контакта, недостижимой в варианте штырькового крепления.
Единственное что немного огорчило, неудобная кнопка РТТ, плохо ощущаемая на ощупь.
Далее, проведя прошивку радиостанции произвел проверку в полевых условиях.
Проверка проводилась на LPD диапазоне в аналоговом и цифровом режиме на радиостанцию SL1600.
В результате проверки удалось выявить что:
- Динамик громкий, разборчивость речи неплохая. (на расстоянии в 5 км в аналоговом режиме связь проходила без посторонних шумов и эха)
- Передатчик честно оправдывает заявленные 5 Вт.
- Аккумулятор не капризничает (температура на улице примерно -15 градусов), сильный ветер, снег.
- Четкая слышимость на расстоянии в 5 километров. (LPD диапазон)
- CTCSS кодирование работает четко.
- По отзывам абонентов радиостанция слышна четко без искажений.
- Особенность проявилась в очень четком ареале связи, причем не только в цифровом, но и в аналоговом режиме.
Краткий вывод: Станция пригодна для использования в работе силовых подразделений, обладает четко выраженной влагозащитой. Не капризничает. Может активно использоваться как переходная от аналогового режима работы системы к цифровому или как радиостанция внедряемая в систему цифровой связи стандарта TDMA.
Из явных минусов: Размер, вес, отсутствует не только русское но и английское описание.
Технические Характеристики
Основные:
|
Диапазон частот |
УКВ: 136-174MHz |
||
|
УВЧ: 350-390MHz; 400-470MHz; 450-520MHz |
|||
|
Пропускная способность канала |
16 |
Разнос каналов |
12.5kHz / 25kHz / 20 кГц |
|
Стабильность частоты |
± 2.5PPM |
Рабочая Температура |
-25 ℃ ~ 55 |
|
Сопротивление антенны |
50Ω |
Рабочее напряжение |
7.4V |
|
Размеры (В × Ш × Г) |
126 × 53 × 33 мм |
Вес (с антенной и батареей) |
300г |
|
Аккумулятор |
2100mAh Li-Poly / Ni-MH аккумулятор |
||
Передатчик
|
RF Мощность (H / L) |
УВЧ: 4W / 3W / 1W; УКВ: 5W / 3W / 1W |
||
|
Тип модуляции |
16kΦF3E / 8kΦF3E |
Ограничение модуляции |
5KHz / 4 кГц /2.5KHz |
|
Е. Искажения |
≤5% |
FM-Остаточная |
-45dB / -40dB |
|
Мощности соседнего канала |
-70 ДБ / -60 дБ |
Ложные Гармоники |
≤-36dBm |
Приемник
|
Чувствительность |
0.22uV / 0.25uV |
Избирательность по соседнему каналу |
70 дБ / 60 дБ |
|
Посредничество Отклонить Радио |
65 дБ |
Ложные Ответ Отклонить Ratio |
70 дБ |
|
S / N |
45 дБ / 40 дБ |
Номинальная Выходная мощность |
1.5W |
|
Номинальная Искажения звука |
≤5% |
||
- Войдите, чтобы оставлять комментарии