/
Автор: Резников З.М.
Теги: физика учебное пособие прикладная физика 10 класс
ISBN: 5-09-000623-7
Год: 1989
Текст
З.М. Резников
ПРИКЛАДНАЯ
ФИЗИКА
3. /VI. Резников
ПРИКЛАДНАЯ
ФИЗИКА
Учебное пособие для учащихся
по факультативному курсу
10 КЛАСС
Рекомендовано Главным учебно-
методическим управлением общего
среднего образования Госкомитета
СССР по народному образованию
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1989
ББК 22.3я72
Р34
Рецензент
учитель физики Ф. А. Вульфсон
Резников 3. М.
Р34 Прикладная физика: Учеб, пособие для учащихся по фа-
культатив. курсу: 10 кл.— М.: Просвещение, 1989.—239 с.
ил.— ISBN 5-09-000623-7
В пособии приведен материал для факультативных занятий в 10 классе
по курсу «Прикладная физика», где описываются физические основы авто-
матических устройств и их элементов.
Книга содержит практические работы и возможные варианты конструк-
торских задач.
Р Ии*’ письм0 891 доп' № 1 ББК 22.3я72
11м* I Wt, I.otz
ISBN 5-1)0-0(1111123-7
© Резников 3. М., 1989
ОТ АВТОРА
Я убежден, что к этой книге обратятся те, кто особенно инте-
ресуется физикой и использованием ее достижений в практичес-
кой деятельности людей. Никто не может считать, что знает фи-
зику, если его знания сводятся лишь к умению излагать сущность
физических явлений и закономерностей. Этого далеко не доста-
точно. Знать физику — значит уметь применять усвоенные на
уроках сведения о физических явлениях и закономерностях для
решения практических проблем.
Современная практическая деятельность людей очень разно-
образна. Изучать в школе все многообразные практические при-
менения физических знаний не представляется возможным хотя
бы из-за ограниченности учебного времени. Поэтому в данном
факультативном курсе вы ознакомитесь с применениями физи-
ческих знаний лишь в двух самых современных областях техни-
ки — автоматике и вычислительной технике. Эти области являют-
ся вместе с тем наиболее универсальными. Автоматические
устройства и вычислительные машины в настоящее время при-
меняются везде — в промышленности, сельском хозяйстве, на
транспорте, в науке и в быту.
Наблюдая за работой автоматов, даже самых простых, каж-
дый, независимо от уровня его образования — от рядового рабо-
чего до академика, всегда испытывает чувство удивления и во-
сторга. Автомат совершает разнообразные трудовые операции
весьма искусно, часто превосходя возможности человека. Еще
большее восхищение вызывает работа электронной вычислитель-
ной машины (ЭВМ), действие которой как бы напоминает про-
цесс мышления. Естественно, при этом всегда возникают вопросы:
как устроены автоматы и ЭВМ и каким образом они выполняют
спои сложные функции? Ответы на эти вопросы в доступной фор-
ме вы найдете в данной книге.
После окончания обучения большинству из вас придется
управлять автоматами, пользоваться ЭВМ. Научиться этому
можно, конечно, и не зная внутреннего устройства автоматов
и ЭВМ. Но для творческого их использования знание устройства
и принципа действия важнейших узлов автоматов и ЭВМ необ-
ходимо. Знание физических принципов устройства и действия
элементов автоматики и вычислительной техники вам будет по-
лезно для овладения практически любой специальностью.
На занятиях по прикладной физике вы получите определен-
ную систему знаний и умений. С этой целью большая часть учеб-
ного времени отводится на решение разнообразных задач и вы-
полнение практических (лабораторных) работ, включая модели-
рование простых автоматических устройств и важнейших уз-
лов ЭВМ.
Желаю вам успешно изучить предлагаемый факультативный
курс.
11
3
ВВЕДЕНИЕ
1. Что такое прикладная физика
Знания по физике и другим естественным наукам необходимы
людям не только для объяснения окружающего мира (свойств
материальных объектов, закономерностей их изменения), но и
для подчинения сил природы воле человека, использования в
практической деятельности.
Именно поэтому в курсе физики рассматриваются не только
сами явления природы и закономерности, которым они подчи-
няются, но и многочисленные примеры применения физических
знаний в науке, производстве, быту.
Однако разрозненные примеры не могут обеспечить получе-
ния учащимися системы знаний о практических применениях фи-
зики. Это возможно лишь в результате последовательного, це-
лостного изучения физических основ той или иной области произ-
водства. Только системное рассмотрение применения физических
явлений и закономерностей в практической деятельности людей
составляет содержание прикладной физики. Каждая отрасль
производства — металлообрабатывающая промышленность, ме-
таллургия, энергетика, электроника, сельское хозяйство, пище-
вая промышленность — имеет свои физические основы. В связи
с этим можно говорить о разных разделах прикладной физики.
Эта книга по своему содержанию представляет собой физи-
ческие основы автоматизации управления производственными
процессами. Из всех областей современной техники автоматика
выделяется своей универсальностью. Она все более широко вне-
дряется во все отрасли производства. Более того, современный
ускоренный научно-технический прогресс, лежащий в основе ро-
ста производительности труда, в большой мере зависит от уров-
ня автоматизации. Знания, обеспечивающие возможность овла-
дения конкретными автоматическими устройствами, нужны лю-
бому специалисту. Поэтому изучение, вопросов прикладной фи-
зики, лежащих в основе автоматики, очень важно для будущей
трудовой деятельности выпускников средней школы.
Данный факультативный курс не является курсом автомати-
ки. Автоматика как техническая наука изучается в специальных
учебных заведениях. На факультативных занятиях по приклад-
ной физике вопросы автоматики будут рассмотрены лишь в схе-
матизированном виде и в таком объеме, который необходим для
системного рассмотрения ее физических основ.
।
2. Механизация производства
Труд как единственный источник материальных и культурных
ценностей общества всегда связан с применением физических
(мускульных) сил и умственных способностей людей.
Однако физические силы человека довольно ограничены. По-
этому люди с древнейших времен стремились привлечь к процес-
су труда другие силы. Первоначально это была мускульная сила
животных.
Затем в процесс труда все больше вовлекалась энергия нежи-
вой природы, т. е. энергия воды, ветра, пара, электричества,
атомного ядра, и в результате были изобретены рабочие машины
и энергетические установки, такие, как паровая машина, двига-
тели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, электро-
генераторы и электродвигатели, атомные реакторы. Применение
в процессе труда сил природы, подчиненных воле человека, явля-
ется сутью механизации производства. Физические основы меха-
низации производства и составляют важнейшую часть содержа-
ния разных разделов прикладной физики.
Но независимо от уровня механизации производственных си-
стем функция управления машинами и технологическими процес-
сами остается за человеков.
3. Автоматизация производства
По мере развития и совершенствования техники и технологии
производства, а также перехода к высоким параметрам (большим
скоростям, высоким температурам, большим давлениям и др.)
человеку становится все труднее осуществлять функцию управ-
ления. Его нервная система оказывается неспособной реагиро-
вать на очень быстрые изменения технологической обстановки,
т. е. оценивать ее, принимать решения, осуществлять необходи-
мые действия. Человек уже не может непосредственно влиять иа
процесс, происходящий в недоступных условиях, например на
большом расстоянии, в агрессивной среде, при очень высокой или
очень низкой температуре. Следовательно, появляется необходи-
мость в замене человека техническими устройствами, выполняю-
щими функции управления процессом. Такие устройства в соче-
тании с управляемыми средствами механизации производства
образуют автоматы, т. е. установки, имеющие возможность ра-
ботать самостоятельно, без непосредственного вмешательства
людей*. А сами технические средства управления процессами —
это средства автоматики.
В современной автоматике широко используются электронные
вычислительные машины (ЭВМ). Если иа основе измерений тре-
1 Слово автомат происходит от греческого слова автоматов, что значит
самодвижущийся.
5
буется принять решение о характере воздействия на управляемый
процесс, то часто бывает необходимо выполнить сложные вы-
числения, которые должны быть проведены за очень короткое
время. Именно для этого в современных средствах автоматики
и используются ЭВМ.
Если средства механизации существенно различаются между
собой, то средства автоматизации в значительной мере являются
универсальными; их физические основы мало зависят от особен-
ностей конкретного производства. Они и составляют важный раз-
дел прикладной физики, с которым вы и будете знакомиться в
данном факультативном курсе.
Автоматизация производственных процессов не означает, что
эти процессы возможны без труда человека. Труд людей и се-
годня остается основой производства, меняется лишь его харак-
тер ш содержание.
На человека ложатся функции конструирования автомати-
ческих устройств, их периодической наладки, разработки и вве-
дения программ, что требует высокой квалификации специали-
стов, а в целом труд людей-становится более сложным.
Социальные последствия таких преобразований зависят от
организации общества, от социального строя. При капитализме
рост общественной производительности труда ведет к обогаще-
нию капиталистов (владельцев средствами производства), к мас-
совой безработице, т. е. к предельному обнищанию рабочего клас-
са. В социалистическом обществе увеличение производительно-
сти труда оказывается необходимым условием для более полного
удовлетворения материальных и культурных потребностей трудя-
щихся, а автоматизация и механизация производства содейст-
вуют освобождению человека от тяжелого и однообразного тру-
да, который должен превратиться в творческий процесс, в первую
жизненную необходимость гармонически развитой личности.
В нашей стране механизация и особенно автоматизация
производства являются важнейшими направлениями в решении
задачи ускорения научно-технического прогресса, выдвинутой на
XXVII съезде КПСС. Важной особенностью нынешнего этапа ав-
томатизации производства является его компьютеризация, т. е.
использование в автоматическом управлении ЭВМ.
р 1. Что составляет содержание прикладной физики?
2. Что понимают под механизацией нронзводства?
3. В чем состоит автоматизация производства?
4. В чем состоит различие между понятиями <автоматы» и «средства авто-
матики»?
б. Каково назначеняе ЭВМ в современном автоматизированном производ-
стве?
О. Каковы функции человека в автоматизированном производстве?
7. Каковы социальные последствия автоматизации нронзводства в капита-
листическом обществе; в социалистическом обществе?
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ
§ 1. ВИДЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
1. Автоматические регуляторы. Наиболее простой и распро-
страненной формой автоматического управления работой техни-
ческих устройств является автоматическое регулирование, кото-
рым называется способ поддержания заданного параметра по-
стоянным (например, скорости вращения вала, температуры сре-
ды, давления пара) или способ обеспечения его изменения по
определенному закону. Оно может осуществляться соответствую-
щими действиями человека или автоматически, т. е. при помощи
соответствующих технических устройств — автоматических регу-
шторов. Регуляторы, поддерживающие значение параметра по-
стоянным, называются собственными, а регуляторы, обеспечи-
вающие изменение параметра по определенному закону,—
программными.
В 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым был изобре-
тен автоматический регулятор производственного назначения,
который поддерживает приблизительно постоянным уровень
поды в паровых котлах.
В 1784 г. английский механик Дж. Уатт изобрел автоматичес-
кий регулятор для поддержания постоянной скорости вращения
нала паровой машины. Оба устройства были собственными ре-
гуляторами.
Примером программного регулирования может служить авто-
матическое вождение поездов на железных дорогах дальнего
следования и в метрополитенах, где осуществляется регулиро-
вание скорости движения поездов по заданному закону, который
определяется профилем и состоянием дороги на ее различных
участках.
Необходимый закон изменения регулируемой величины пред-
ставляет собой программу регулирования. Надо отметить, что
при программном автоматическом вождении поезд не в пол-
ной мере вверяется автомату. Машинист наблюдает за выпол-
нением всех элементов графика движения. По необходимости
он имеет возможность вмешаться и внести те или иные коррек-
тны. Однако автомат обеспечивает выполнение необходимой
программы значительно более точно, чем это смог бы сделать
человек.
7
Собственные регуляторы представляют собой частный случай
программных регуляторов, если программа состоит в поддержа-
нии того или иного параметра постоянным.
2. Циклические автоматы. К этому виду автоматов относятся
устройства, обеспечивающие определенную последовательность
действий исполнительных органов, необходимых для выполне-
ния данной операции. Их отличает наличие жесткой программы
действий, заложенной в конструкции. Такие автоматические
устройства еще называют манипуляторами. Они заменяют чело-
века на тех участках производства, где необходимо выполнять
однообразные (в точности повторяющиеся) действия, например
при изготовлении определенного вида деталей из одинаковых
заготовок, при расфасовке жидких продуктов. Из отдельных
манипуляторов составляют автоматические поточные технологи-
ческие линии, где каждый манипулятор выполняет одну операцию.
Впервые циклический автомат был создан древнегреческим
ученым Героном Александрийским еще в I в. н. э. Это устройство
само (без вмешательства человека) в определенное время откры-
вало двери храма, что в то'время производило ошеломляющее
впечатление на верующих.
Недостатком .простых циклических автоматов является то,
что их программа целиком ранее задана и их действия совершен-
но не зависят от изменений производственной обстановки. Так,
циклический автомат, управляющий перемещением резца токар-
ного станка при вытачивании детали определенного вида, не
реагирует на поломку резца или остановку двигателя, а цикли-
ческий автомат, управляющий вентилем наполнения жидкостью
сосудов (например, минеральной водой, краской, маслом и др.),
перемещаемых лентой транспортера, откроет его и в том случае,
когда по какой-либо причине сосуда на месте наполнения не ока-
жется. Проблема учета производственной обстановки, выражаю-
щаяся в наличии или отсутствии в данном месте (или в данный
момент времени) соответствующего объекта, решается рефлек-
торными автоматами.
3. Рефлекторные автоматы. Эти автоматические устройства
являются разновидностью циклических автоматов и отличаются
от последних тем, что каждый цикл действий они начинают
отрабатывать не самопроизвольно после окончания предыдуще-
го, а по сигналу, поступающему извне. В производственных
рефлекторных автоматах запуск цикла действий осуществляется
обычно по обнаружению готовности объекта.
К автоматам такого типа относятся многие торговые авто-
маты, например для продажи газированной воды, растительного
масла, карандашей и др. Все они начинают отрабатывать опре-
деленный цикл действий, завершающийся выдачей товара, после
того как была опущена монета в специальный приемник.
4. Роботы. Современные технологические системы весьма
сложны, и происходящие в них процессы характеризуются мно-
н
гимн показателями. При неавтоматическом управлении такими
процессами операторы, следя за различными контролирующими
и измерительными приборами, оценивают обстановку и прини-
мают решения, необходимые для обеспечения правильного и
оптимального развития технологического процесса.
В настоящее время все большее применение находят автома-
ты, которые могут реагировать на изменения обстановки и согла-
совывать с этими изменениями характер управления производ-
ственной системой. Такие автоматы получили название роботов.
Они обладают контрольно-измерительными органами, т. е. датчи-
ками, заменяющими органы чувств человека, и устройствами для
анализа получаемой информации, иначе говоря, своеобразным
техническим мышлением, которое обеспечивается использованием
ЭВМ.
Идея замены человека машиной, способной к гибкому управ-
лению различными системами, вынашивалась в течение длитель-
ного времени. Еще в средневековье создавались автоматические
устройства, подражающие движениям человека. Их называли
андроидами. Особого совершенства добились швейцарские ча-
совщики Пьер Дро и его сын Анри, жившие в XVIII в. Они созда-
ли механических человечков, подражающих действиям писца,
художника, пианиста. Но подражание человеку носило лишь
формальный характер. По существу же это были циклические
автоматы, не имеющие ничего общего с роботами.
Достижения современной научно-технической революции, осо-
бенно в области кибернетики (новой технической науки об
управлении), подготовили условия для создания разнообразных
роботов, широкое внедрение которых является необходимым
условием резкого повышения производственного потенциала об-
щества.
Из вышеизложенного видно, что главное назначение робо-
тов—реагировать на изменения производственной обстановки
и тут же вырабатывать необходимую программу действий.
'[» 1. Каково назначение автоматического регулитора?
2. В чем различие между собственными и программными автоматическими
1>егуляторамн?
3. Каково назначение циклического автомата?
4. Чем отличается рефлекторный циклический автомат от простого?
5. Чем отличаютсн роботы от циклических автоматов?
S 2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
1. Процесс регулирования. Рассмотрим, как можно поддер-
живать температуру постоянной в камере, называемой термо-
статом, примером которого может быть камера инкубатора. Тер-
мостаты широко применяются в различных отраслях промыш-
ленного производства, особенно в пищевой промышленности. На-
9
конец, термостатом в зимнее время можно считать и жилое по-
мещение, если в нем при помощи специальных вентилей, имею-
щихся у радиаторов отопления, поддерживается постоянная
температура. Покажем, как осуществляется неавтоматическое
регулирование температуры в помещении.
Допустим, что желательно поддержать температуру, равную
20°С. За ней следят по комнатному термометру. Если она подни-
мается выше, то вентиль радиатора немного прикрывают. Этим
замедляют поступление в последний горячей воды; его темпера-
тура понижается, а следовательно, уменьшается приток энергии
в помещение, где температура воздуха также становится ниже.
Когда же температура воздуха в помещении оказывается мень-
ше 20°С, то вентиль открывают и тем самым увеличивают по-
ступление в радиатор горячей воды, благодаря чему температура
в помещении повышается. При таком регулировании происхо-
дят небольшие колебания температуры воздуха около заданного
значения (в рассмотренном примере около 20°С).
Из этого примера видно, что в процессе регулирования не-
обходимо выполнить определенные действия: измерить регули-
руемый параметр; сравнить его значение с заданным (при этом
определяется так называемая ошибка регулирования — разность
между фактическим значением и заданным); воздействовать на
процесс в соответствии со значением и знаком ошибки регули-
рования.
При неавтоматическом регулировании эти действия выполняет
человек-оператор.
2. Автоматическое регулирование. Регулирование может осу-
ществляться и без вмешательства человека, т. е. техническими
устройствами. В этом случае говорят об автоматическом регу-
лировании, которое осуществляется с помощью автоматического
регулятора1.
Выясним, из каких частей он состоит и как эти части между
собой взаимодействуют.
Измерение фактического значения регулируемого параметра
осуществляется измерительным органом, называемым датчиком.
Результаты измерения выдаются датчиком в форме какого-
либо физического сигнала (высота столба термометрической
жидкости, деформация биметаллической пластины, значение на-
пряжения или силы тока на выходе датчика и др.).
Сопоставление фактического значения регулируемого пара-
метра с заданным производится специальным органом сравне-
ния, называемым нуль-органом. При этом происходит опреде-
ление разности между фактическим значением регулируемого
параметра и заданным (т. е. необходимым) его значением. Эта
1 Н >1<>м параграфе речь идет о собственном автоматическом регуляторе,
г. <• об устройстве, поддерживающем значение регулируемого параметра
ное к hi ппы м.
10
разность называется ошибкой
регулирования; она может быть
как положительной, так и отри-
цательной. Значение ошибки
регулирования преобразуется
в определенный физический сиг-
нал, который воздействует на
исполнительный орган, управ-
ляющий состоянием объекта
регулирования. Именно в ре-
зультате воздействия исполни-
тельного органа на объект про-
исходит увеличение или умень-
шение регулируемого парамет-
ра в зависимости от знака
ошибки регулирования.
Таким образом, основными
частями автоматического ре-
гулятора являются: измери-
тельный орган (датчик), орган
сравнения (нуль-орган) и ис-
полнительный орган.
Для того чтобы нуль-орган
мог сопоставлять измеренное
значение регулируемой вели-
чины с заданным, необходимо
в автоматический регулятор
ввести задаваемое значение
параметра. Это осуществляется
<• помощью специального ус-
тройства, так называемого за-
датчика, который преобразует
Необходимое
значение регулируемого
параметра
Внешнее
1 бездействие
Рис. 1. Структурная схема системы
автоматического регулирования
задаваемое значение парамет-
ра в физический сигнал определенного уровня. При этом важно,
чтобы физические сигналы на выходах датчика и задатчика
были одной и той же природы. Только в этом случае возможно
их сопоставление нуль-органом.
Необходимо еще отметить, что мощность выдаваемого сигна-
ла, соответствующего ошибке регулирования, как правило, недо-
статочна для управления работой исполнительного органа. В
связи с этим указанный сигнал подвергается предварительному
усилению.
Следовательно, в состав автоматического регулятора, кроме
указанных трех основных частей (датчика, нуль-органа и испол-
нительного органа), входят еще задатчик и усилитель.
Типовая структурная схема системы автоматического регули-
рования представлена на рисунке 1.
Как видно из этой схемы, система автоматического регули-
11
рования является замкнутой. От объекта регулирования инфор-
мация о значении регулируемого параметра поступает к датчику,
а затем в нуль-орган; далее сигнал, соответствующий ошибке
регулирования, поступает через усилитель в исполнительный
орган, который оказывает необходимое воздействие на объект
регулирования.
Движение сигналов от объекта регулирования к нуль-орга-
ну — это обратная связь. Наличие обратной связи — необходи-
мое условие для осуществления процесса регулирования.
На такую замкнутую цепь влияют и внешние воздействия.
Во-первых (и это самое главное), внешним воздействиям под-
вергается объект регулирования. Именно эти воздействия явля-
ются причиной изменения параметров его состояния и вызывают
необходимость в регулировании. Во-вторых, внешним воздейст-
вием на цепь системы автоматического регулирования является
введение в нуль-орган при помощи задатчика необходимого зна-
чения регулируемого параметра, которое определяется на основе
анализа режима работы всей системы, куда входит данное авто-
матическое устройство. Этот анализ проводится человеком или
управляющей ЭВМ.
р 1. Из каких действий складывается процесс регулирования?
2. В чем состоит назначение датчиков в автоматических регуляторах?
3. Какую функцию выполняет в автоматическом регуляторе нуль-орган?.
4. Какова роль усилителя в регуляторе?
5. Какова функция исполнительного органа в процессе регулирования?
в. Каково назначение задатчика и какой является его связь с иуль-оргаиом?
7. Как соотносятся между собой влияние внешних воздействий иа регу-
лируемый объект и влияние регулирующего устройства иа этот объект?
8. Объясните по схеме действие автоматического регулятора.
$ 3. ПРИМЕРЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
1. Терморегулятор электрического утюга. Всем знаком элек-
трический утюг с терморегулятором. Это несложное устройство
содержит все элементы автоматического регулятора, о которых
шла речь в предыдущем параграфе.
Объектом регулирования является металлическое основание
утюга, имеющее гладкую наружную поверхность (гладильная
поверхность), а регулируемой величиной — температура гла-
дильной поверхности. В зависимости от рода ткани температура
гладильной поверхности должна поддерживаться в определен-
ных пределах. Так, для глажения синтетической ткани необхо-
димо, чтобы температура подошвы утюга была равна 6О...9О°С;
при глажении шелковой ткани—1ОО...13О°С, а льняной —
IGO ...2()(),’С.
Исполнительным органом терморегулятора является электри-
ческий нагревательный элемент. При включении в электросеть
I"
он, нагреваясь, отдает некото-
рое количество теплоты осно-
ванию (подошве) утюга, при
этом температура последнего
повышается. Если нагреватель-
ный элемент выключен, то тем-
пература основания утюга по-
нижается, так как идет пере-
дача количества теплоты раз-
глаживаемой ткани и окружаю-
щему воздуху. Этот процесс
выступает как внешнее воздей-
ствие на объект регулирования.
Замыкание и размыкание
Рис. 2. Электрическая схема утюга с
автоматическим регулятором
температуры (/ — нагревательный
элемент; 2 — блок контактов; 3 —
сетевой ввод)
цепи нагревательного элемен-
та 1 производятся контактной
парой 2, включенной последовательно в эту цепь (рис. 2).
Контроль температуры подошвы утюга осуществляется с по-
мощью специального датчика. Его действие основано на исполь-
зовании биметаллической пластины, которая состоит из двух раз-
нородных металлических слоев (например, железного и алюми-
ниевого, железного и медного). Известно, что различные ме-
таллы при нагревании расширяются неодинаково; например, при
одинаковом повышении температуры железной и алюминиевой
пластин одной длины удлинение алюминиевой оказывается вдвое
больше удлинения железной пластины (рис. 3). При нагревании
биметаллической пластины она изгибается в сторону слоя, кото-
рый расширяется меньше (рис. 4). При этом изгиб пластины
получается тем больше, чем больше изменение температуры.
В терморегуляторе утюга конец биметаллической пластины 2
прикрепляется к подошве 1; второй управляет подвижным кон-
тактом контактной пары 3 (рис. 5), которая выполняет функцию
органа сравнения (нуль-органа) терморегулятора.
Fe
Al
to
Fe
Al
Рис. 3. Тепловое расширение пластин из разных металлов неодинаково
Рис. 4. При нагревании биметаллической пластины она изгибается
13
Рис. 5. Устройство утюга с автоматическим регулятором температуры (7 —
подошва утюга; 2 — биметаллическая пластина; 3— контактная пара; 4 —
верхняя контактная пластина; 5 — нижняя контактная пластина; 6 — диск —
задатчик значения температуры; 7 — поворотный клин задатчика)
Рис. 6. Центробежный регулятор скорости вращения ротора паровой турбины
(/ — шарнирный ромб; 2 — пружина; 3 — иижняя муфта; 4 — рычаг; 5 —
дроссельная заслонка; 6 — винтовая головка; 7 — верхняя муфта; 8 —
паропровод)
С повышением температуры основания утюга нагревается
и биметаллическая пластина. При этом она изгибается и ее сво-
бодный конец начинает перемещаться. Такое перемещение и
есть информация об изменении температуры, которая поступает
в нуль-орган в форме определенного перемещения верхнего
контакта. При остывании утюга пластина изгибается в обратную
сторону и верхний контакт опускается. При его соприкосновении
с нижним контактом нагревательный элемент (исполнительный
орган) включается и температура утюга начинает повышаться.
После соответствующего повышения температуры верхний кон-
такт снова поднимается, и цепь нагревательного элемента ра-
зомкнется. Утюг снова начнет остывать. Температура подошвы
утюга колеблется между верхним и нижним значениями, поэтому
здесь можно говорить о поддержании определенной средней
температуры, значение которой задается перемещением вверх
или вниз нижнего контакта, что осуществляется поворотом дис-
ка 6 задатчика.
Нижний контакт укреплен на свободном конце плоской пру-
жины 5; в нее упирается поворотный клин 7, прикрепленный к
диску. При повороте диска в ту или другую сторону нижний кон-
такт перемещается вверх или вниз (см. рис. 5).
Чем выше располагается нижний контакт, тем среднее значение
температуры, поддерживаемое регулятором, будет больше. Та-
ким образом, поворотом диска задатчика в нуль-орган вводится
14
информация о том, какой должна быть температура основания
утюга*.
В рассмотренном примере имеются все элементы системы
автоматического регулирования, кроме усилителя, в котором в
данном случае нет необходимости, так как сигнал органа сравне-
ния (замыкание или размыкание контактной пары) достаточен
для включения или выключения исполнительного органа (нагре-
вательного элемента).
Такой регулятор применяется также в бытовом электричес-
ком масляном радиаторе, где он служит для поддержания зада-
ваемой средней температуры поверхности, и в некоторых других
бытовых и производственных установках.
2. Центробежный регулятор числа оборотов паровой турбины.
Устройство этого автоматического регулятора показано на ри-
сунке 6. Датчиком числа оборотов паровой турбины является
шарнирный ромб 1 с двумя одинаковыми грузами, приводимый
во вращение от вала турбины. При увеличении числа оборотов
вала грузы расходятся и насаженная на вал регулятора пружи-
на 2 сжимается.
Таким образом, этот датчик выдает информацию об измене-
нии скорости вращения турбины в виде изменения расстояния
между верхней муфтой 7 и нижней 3.
Нижняя муфта с помощью рычага 4 связана с дроссельной
заслонкой 5, находящейся в паропроводе и являющейся в данном
случае исполнительным органом. При увеличении числа оборотов
нижняя муфта поднимается и дроссельная заслонка прикрывает
канал паропровода, уменьшая доступ пара к турбине, что приво-
дит к определенному снижению числа оборотов до необходимого
значения. Здесь нуль-органом служит нижняя муфта, а задатчи-
ком — винтовая головка 6 на верхнем конце вала, с помощью ко-
торой верхнюю муфту шарнирного ромба можно сдвигать вверх
или вниз.
Чем больше будет смещена верхняя муфта вниз, тем боль-
ше будет скорость вращения вала, поддерживаемая регуля-
тором. Сигнал управления выдается нуль-органом в форме опре-
деленного перемещения нижней муфты.
Таким образом, и в этом примере мы находим все типовые
элементы, представленные на структурной схеме регулятора
(см. рис. 1).
? I. Как реализуются в терморегуляторе с биметаллической пластиной основ-
ные элементы автоматического регулятора?
2. Как реализуются в центробежном регуляторе скорости вращения паро-
вой турбвиы осиоияые элементы автоматического регулятора?
' Подробнее действие регулятора температуры с биметаллическим датчи-
ком будет рассмотрено в следующей главе.
15
$ 4. ТИПЫ РЕГУЛЯТОРОВ. ВИДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
1. Регуляторы плавного и релейного действия. Сопоставим
два примера регуляторов, рассмотренные в предыдущем парагра-
фе. Обращает на себя внимание способ воздействия на исполни-
тельный орган. В терморегуляторе с биметаллической пластиной
воздействие на исполнительный орган происходит скачком: нагре-
вательный элемент либо включается, либо выключается. Здесь
плавное воздействие на исполнительный орган не предусмотрено.
Такие регуляторы называют регуляторами релейного действия.
Каждый элемент системы автоматического регулирования
(см. рис. 1), по существу, является преобразователем входной
величины в выходную. Если плавное изменение входной вели-
чины приводит к скачкообразному изменению выходной, то гово-
рят об элементе релейного действия. К таким элементам относят-
ся, например, электромагнитные реле. При плавном изменении
силы тока в катушке меняется скачкообразно сила тока в его
исполнительной цепи.
Автоматический регулятор будет регулятором релейного дей-
ствия, если хотя бы одна из .его функциональных частей будет ха-
рактеризоваться релейным действием.
Наряду с автоматическими регуляторами релейного действия
применяются регуляторы плавного действия, в которых плавное
изменение входной величины приводит к плавному изменению
выходной величины. Таким является рассмотренный центробеж-
ный регулятор оборотов.
Примерами элементов плавного действия может служить
транзистор, где плавное изменение силы тока в эмиттерном пере-
ходе вызывает плавное изменение силы тока в коллекторной
цепи.
2. Статическое и астатическое регулирование. В рассмотрен-
ном центробежном регуляторе прикрытие дроссельной заслонки
при повышении числа оборотов вала может сохраняться лишь в
том случае, если число оборотов и после прикрытия заслонки
остается в известной мере повышенным. Таким образом этот ре-
гулятор не может поддерживать скорость вращения турбины
идеально постоянной. Но благодаря ему уменьшение или увели-
чение механической нагрузки на вал турбины (изменение внеш-
него воздействия на объект регулирования) будет приводить
лишь к весьма незначительным изменениям скорости вращения
турбины. Такое регулирование называется статическим.
В рассмотренном же терморегуляторе температура в термо-
стате при колебаниях наружной температуры будет изменяться
между некоторыми верхними и нижними значениями, в интерва-
ле между которыми находится поддерживаемое неизменным
среднее значение. Здесь важно, что среднее значение температу-
ры в термостате не зависит от интенсивности отдачи количества
теплоты в окружающую среду. Такое регулирование называется
16
астатическим. Следовательно, при астатическом регулировании
значение регулируемой величины поддерживается неизменным
независимо от интенсивности внешних возмущающих воздейст-
вий на объект регулирования.
Э I. В чем различие между элементами релейного н плавного действия?
2. В чем различие между статическим и астатическим регулкторами?
3. Поясните на примерах сущность статического и астатического регули-
рования.
§ 5. ПОНЯТИЕ ОБ УСТРОЙСТВЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ АВТОМАТОВ.
РЕФЛЕКТОРНЫЕ АВТОМАТЫ
Как было отмечено выше (см. § 1), работа простых цикли-
ческих автоматов состоит в том, что они независимо от внешних
условий выполняют программу действий, которая затем много-
кратно повторяется. Примером такого автоматического устрой-
ства может служить установка для праздничной иллюминации,
где чередование изображений иа иллюминационном щите дости-
гается сооответствующим переключением электрических ламп.
Необходимая последовательность включения и выключения каж-
дой лампы обеспечивается специальным программным устрой-
ством — таймером. В простейшем случае это равномерно вра-
щающийся диск с дуговыми прорезями, расположенными по
окружности (рис. 7). Через прорези осуществляется замыкание
контактной пары и включение исполнительного органа на какое-то
время, что зависит от длины прорези и скорости вращения диска.
Промежутки между прорезями соответствуют промежуткам вре-
1’пс. 7. Программный диск с программами для управления двумя исполнительными
органами
Рис. 8. Структурная схема циклического автомата
17
мени, в течение которых контакты разомкнуты и исполнитель-
ный орган выключен. С каждым оборотом диска программа
включений и выключений исполнительного органа повторяется.
На разных окружностях одного диска могут быть заданы прог-
раммы управления различными исполнительными органами, на-
пример лампами иллюминационного щита. Таким образом, про-
стой циклический автомат состоит из программного устройства
и исполнительных органов (рис. 8). Программы работы цикли-
ческих автоматов могут быть заданы с помощью перфолент.
Это значительно облегчает смену программ.
Рефлекторные автоматы отличаются от простых циклических
тем, что они данную последовательность действий повторяют не
самопроизвольно, а лишь после поступления извне определен-
ного сигнала. Работа такого автомата подобна работе организма,
в котором выработан условный рефлекс на определенный сигнал-
раздражитель. В его состав (в отличие от простого циклического
автомата) входит дополнительный функциональный блок — жду-
щее пусковое устройство (рис. 9). Этот блок обладает следующи-
18
ми свойствами: под действием определенного внешнего сигнала
он срабатывает и включает программное устройство, в резуль-
тате чего автомат отрабатывает запрограммированный цикл дей-
ствий; по завершении последнего ждущее пусковое устройство
приходит в исходное состояние и весь автомат бездействует до
момента прихода нового запускающего сигнала.
К рефлекторным автоматам относится большинство торговых
автоматов. Внешним сигналом для ждущего пускового устрой-
ства является опускание монеты. При этом заметим, что ждущее
пусковое устройство в таких автоматах должно реагировать на
монету определенного достоинства (определенного веса или
диаметра). Это значит, что ждущее пусковое устройство выпол-
няет и измерительную функцию и является разновидностью
датчика.
'J 1. Из каких основных частей состоит циклический автомат? Начертите
структурную схему.
2. Как действует простое дисковое программное устройство? Почему при
использовании дискового программного устройства автомат является цикли-
ческим?
3. Чем отличается рефлекторный аатомат от простого циклического? На-
чертите структурную схему.
4. В чем состоит функция ждущего запускающего устройства в рефлектор-
ных автоматах?
5. С какими рефлекторными автоматами вам приходится встречаться в пов-
седневной жизни?
$ 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ РОБОТОВ
В отличие от простых циклических и рефлекторных автома-
тов роботы представляют собой автоматические устройства, вы-
рабатывающие программу действий самостоятельно в зависимо-
сти от производственной обстановки. Они представляют собой
адаптивные автоматы, т. е. автоматы, имеющие технические
«органы чувств» (датчики) и технический «разум» (ЭВМ). По
существу, робот представляет собой самоорганизующийся авто-
мат.
Поэтому первая особенность роботов состоит в том, что они
собирают обширную информацию о производственной обстанов-
ке с помощью системы датчиков (рис. 10), а вторая — в обработке
этой информации и выработке на ее основе программы действий,
которые должны произвести исполнительные органы. Обработка
данных, поступающих от датчиков, выработка необходимой
программы действий и выдача соответствующих сигналов управ-
ления осуществляются электронной вычислительной машиной.
На основе широкого внедрения в производственную техноло-
гию роботов создаются гибкие автоматизированные производ-
гтненные системы, которые в короткое время могут переходить
19
Рис. II. Схема механической части одного нз типов современных роботов
с выпуска одного вида продукции на выпуск другого вида. Это
одно из генеральных направлений современного технологичес-
кого процесса. Идея замены человека не только в сложных техно-
логических процессах, но н в простых операциях актуальна в
настоящее время. ,
Роботы, предназначенные для механизации и автоматизации
простых трудовых операций, состоят из механического устройст-
ва и органа управления.
На рисунке 11 приведено схематическое изображение меха-
нической части робота. На подвижной платформе установлена
вертикальная колонка, удерживающая рычажное устройство,
имеющее на конце захват. Части системы с помощью ряда при-
водных двигателей могут совершать шесть независимых движе-
ний (шесть степеней свободы), не считая движения захвата.
Захват же может иметь самые разнообразные конструкции, это
зависит от назначения того или иного робота. В некоторых слу-
чаях захват снабжается «пальцами», а иногда он представляет
собой электромагнит или вакуумный присос. Рычажное устрой-
ство вместе с захватом представляет собой механическую руку.
Такие роботы заменяют ручной труд при установке заготовки
на станке, съеме изделия и его транспортировке к следующему
станку автоматической поточной линии; они применяются для
установки металлического листа под пресс (при горячей и хо-
лодной штамповке) с его последующим извлечением и т. д.
Подобные роботы незаменимы при выполнении работ в усло-
виях высоких температур, радиоактивности, при наличии ядови-
тых испарений и др.
? 1. Какую роль выполппет система дат чи ко в в роботе?
2. Каково назначение ЭВМ в роботах?
3. Что такое гибкая производственная автоматизированная система?
ГЛАВА 2
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСТЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ. ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ В ЭЛЕМЕНТАХ
АВТОМАТИКИ
$ 7. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ
КАК ОСНОВА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОГРАММНЫХ УСТРОЙСТВ
Основным соотношением равномерного движения является
формула связи пройденного пути s со временем t:
s = vt,
где v — модуль скорости движения. Так как при равномерном
движении модуль скорости является величиной постоянной, то
между пройденным путем и временем существует прямая пропор-
циональность.
Это и используется при задании программы. Элементы про-
граммы фиксируются вдоль некоторой линии на материальном
носителе (изоляционном диске, бумажной перфоленте и др.).
Каждый элемент занимает на указанной линии участок опреде-
ленной длины. Считывающее устройство движется равномерно
по линии материального носителя, вдоль которой зафиксирова-
на программа, с постоянной скоростью v. При этом линейная
развертка программы в пространстве переходит во временную.
Длине I, которую занимает-данный элемент программы, соответ-
ствует время / = -^-, в теч«»”’*е которого этот элемент считывается.
В § 5 было описано простое дисковое программное устройство
(см. рис. 7) для циклических автоматов. В нем программа распо-
лагается вдоль окружности на диске из изоляционного мате-
риала. Каждый элемент программы занимает дугу окружности
определенной длины. Этими элементами являются прорези в диске
и промежутки между ними, а считывающим устройством служит
контактная пара, установленная на данной окружности и замы-
кающаяся при западании подвижного контакта в прорезь. Когда
диск приводится в равномерное вращение, происходит чередо-
вание состояний замкнутости и разомкнутости контактов, т. е. друг
за другом следуют элементы программы различной длительности
(во времени).
? 1. Почему основное уравнение равномерного движения лежит в основе дей-
ствия электромеханических программных устройств?
2. Приведите нример использовании основного уравнения равномерного
движения в электромеханическом программном устройстве автомата.
21
$ S. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ
УСТРОЙСТВ ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
1. Скачкообразное изменение сопротивления цепи. Вы знаете,
что электрический ток может существовать только в замкну-
той цепи; при ее размыкании протекание тока прекращается.
Процессы замыкания и размыкания электрической цепи с по-
мощью разных выключателей и представляют собой простейшие
случаи внешнего механического воздействия на электрическую
цепь, приводящие к изменению сопротивления, т. е. замыкание
цепи означает предельное уменьшение сопротивления, а размы-
кание — увеличение сопротивления до большого значения.
Специальные конструкции выключателей используются в ав-
томатике в качестве простейших датчиков перемещения. Это так
называемые контактные датчики. Один из случаев использования
контактного датчика для автоматизации контроля представлен
на рисунке 12. Пусть изделия И, например шарики, должны
изготовляться с номинальным значением диаметра £)„. При этом
допускается определенное отклонение от номинального значе-
ния ±АО. Это допуск. Считается, что шарики удовлетворяют
требованиям, если их диаметр лежит в пределах
£)и—+
Для контроля диаметра шарики последовательно один за дру-
гим помещают под платформу П толкателя Т. При этом инфор-
мация о диаметре фиксируется в форме определенного пере-
Рис. 12. Контактный датчик для автоматического контроля диаметра шарнков
Рис. 13. Схема регулятора уровня жидкости с поплавково-реостатным датчиком
(1 — трубопровод от насоса; 2 — вентиль; 3 — поплавок; 4 — рычаг; 5 — реостат)
22
мещения толкателя. Именно в преобразовании измеряемой вели-
чины в новую состоит первичное измерение. Устройство для
осуществления первичного измерения имеется практически у лю-
бого датчика и называется первичным измерителем ПИ. Однако
первичным преобразованием измеряемой величины действие
датчика не исчерпывается, обычно за этим преобразованием
следует цепь других последовательных преобразований. В нашем
случае перемещение толкателя преобразуется в определенный
угол поворота рычага Р, а затем в перемещение подвижного
контакта К, которое в свою очередь преобразуется в то или иное
состояние сигнальных цепей. Отсутствие тока в обеих сигнальных
цепях свидетельствует о том, что отличие диаметра шарика от
номинального находится в пределах разрешенного допуска. Если
загорается лампа Н1, то шарик выбраковывается как слишком
большой; когда же загорается лампа Н2, шарик выбраковы-
вается в категорию слишком малых.
Такой датчик может быть включен не только в систему авто-
матизированного контроля, но и в систему автоматического
управления. В этом случае сигналы о слишком больших или
слишком малых размерах изделия поступают в исполнительный
орган, который соответствующим образом перестраивается, и
размер изделия становится ближе к номинальному.
Итак, контактный датчик в рассмотренной ситуации служит
измерителем отклонения размеров изделия от номинальных. Ин-
формацию о значительном отклонении этих размеров датчик
выдает, включая одну из двух цепей.
2. Плавное изменение сопротивления цепи. Другим видом
внешнего механического воздействия на электрическую цепь яв-
ляется перемещение движка реостата, включенного в цепь. Пере-
мещение движка вызывает изменение активного сопротивле-
ния /?р, вносимого в цепь реостатом, и, следовательно,
изменение силы тока / в цепи в соответствии с законом Ома:
/ = и -
Ян + Яр
где U — напряжение на полюсах источника тока, /?„— сопротив-
ление нагрузки.
Изменение активного сопротивления происходит вследствие
изменения длины I части обмотки реостата, включенной в цепь,
в соответствии с формулой сопротивления проводника:
/?р = р-£-.
где р — удельное сопротивление материала проводника, S — пло-
щадь его поперечного сечения. Реостат, включенный в электри-
ческую цепь, может быть использован в качестве датчика пере-
мещения. Например, в автоматических регуляторах уровня жид-
кости применяется поплавково-реостатный датчик.
На рисунке 13 показан регулятор уровня жидкости в баке. По
23
Рис. 14. Реостат дуговой (7 — катушка;
2 — щетки; 3 — токопроводящая
спиральная пружина; 4 — ось
первичного измерителя углового
перемещения)
трубе 1 жидкость подается в бак с помощью насоса, приводи-
мого в действие электродвигателем. Потребление жидкости из ба-
ка осуществляется через вентиль 2. Первичным измерителем
уровня жидкости служит поплавок 3, изменение уровня жидкости
преобразуется в перемещение поплавка. Далее последовательно
меняются физические носители информации: с помощью рычага 4
перемещение поплавка передается движку реостата 5, что приво-
дит к изменению сопротивления цепи и, следовательно, силы тока.
Изменение же силы тока и является сигналом на выходе данного
реостатно-поплавкового датчика, несущем информацию об уровне
жидкости в баке. Если двигатель насоса не включен, а вен-
тиль 2 открыт, то в результате расхода жидкости поплавок
опускается, движок реостата перемещается вверх (по рисунку),
сопротивление реостата уменьшается и сила тока в цепи увели-
чивается. При определенном снижении уровня жидкости сила
тока в катушке реле К. становится достаточной для его сраба-
тывания, что приводит к замыканию контактов реле; двига-
тель насоса включается. После этого уровень жидкости в баке
начинает повышаться. Проследив за дальнейшими процессами
самостоятельно, вы можете убедиться в том, что после повышения
уровня жидкости до определенной отметки электродвигатель при-
вода насоса выключится. Если первичный измеритель преобра-
зует информацию о значении измеряемой величины в опреде-
ленное поворотное перемещение, то в датчике применяется рео-
стат, у которого катушка имеет дуговую форму (рис. 14).
3. Потенциометрическая схема. Чаще всего переменный ре-
зистор включается по схеме, которая изображена на рисунке 15,
где движок делит обмотку резистора на две части длиной 1\ и /г.
Напряжение U источника тока подается на всю катушку. Через
зажим движка с одной из частей обмотки, например с части дли-
ной /г, снимается напряжение Uz.
Покажем, что при равномерной намотке напряжение Uz прямо
пропорционально длине /г.
24
По закону Ома для участка цепи имеем:
Ui=IRi и U2 = IRi,
где / — сила тока в обмотке, U\ и U2— напряжение на частях
обмотки, a R\ и R2 — сопротивления этих частей. Очевидно,
что
U\ Rx
Ut ~ Rt '
Таким образом, полное напряжение, подводимое к резистору,
делится движком на две части, пропорциональные соответствую-
щим длинам проводника. Такой делитель напряжения называют
потенциометром. Но при равномерной намотке сопротивления
R\ и R2 пропорциональны длинам соответствующих частей
катушки:
Rx=p~, R2 = p‘i.
или
Ri=Klt, R2=^Kl2-
Поэтому
U\ = 6
L/z I2
По свойству пропорции можно записать:
U, + Ut /1 + /2
Ut /2 *
или
и___J_
, иг — It '
где / = /|-|-/2 — полная длина обмотки.
U
15
Рис. 15. Включение переменного резистора по потенциометрической схеме
Рис. 16. Угольный датчик давления (1 — корпус; 2— угольный порошок;
3 — мембрана; 4 — электрод)
<4
25
Рис. 17. К объяснению принципа
действия угольного датчика давления
Рис. 18. Струнный первичный
измеритель температуры (1—струна;
2 — пружина)
Отсюда
'u2 = u‘^.
Это значит, что с потенциометра через движок в зависимости
от положения последнего снимается определенная часть напря-
жения, поданного на всю обмотку.
В датчиках, например, механическое перемещение, получае-
мое на выходе первичных измерителей, преобразуется с помощью
потенциометра в соответствующее изменение электрического на-
пряжения. Потенциометрическая схема широко используется в
электротехнике и в электроавтоматике.
4. Измерение давления. Сопротивление некоторых элементов
электрической цепи может зависеть и от давления, которое
производится на них извне. Примером такого элемента может
служить сосуд, заполненный угольным порошком и закрытый
упругой мембраной (рис. 16). Чем больше давление извне на
мембрану, тем сильнее сжимается угольный порошок и его элек-
трическое сопротивление становится меньше. Причина уменьше-
ния электрического сопротивления угольного порошка поясняет-
ся на рисунке 17, где показаны два угольных зерна: а) при отсут-
ствии внешнего давления; б) при наличии небольшого давления;
в) при большом внешнем давлении. Из последнего рисунка видно,
ч то, чем больше давление, тем большей оказывается площадь
соприкосновения соседних зерен угольного порошка, что и явля-
ется причиной уменьшения электрического сопротивления.
Угольные датчики давления как первичные измерители преоб-
разуют изменение давления в соответствующее изменение элек-
трического сопротивления. Включенный в электрическую цепь
датчик выдает информацию об изменении давления в окружающей
среде в форме определенного изменения силы тока.
? 1. Что собой представляет устройство контактного датшка? Приведите
примеры его возможного использовании.
2. Начертите схему включении реостата в электрическую цепь. Какое
преобразование физических величии осуществляет реостат непосредственно?
3. Как работает регулятор уровни жидкости, действие которого основано
на использовании поплавково-реостатного датчика? Какие последовательные
преобразования величин происходят в процессе регулировании?
4. Какое регулирование (статическое пли астатическое) осуществляет
регулятор уровни жидкости с реостатпо-поплавковым датчиком? Ответ обо-
снуйте.
5. Начертите схему включения потенциометра для регулирования яркости
горения электрической лампы.
$ 9. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В ДАТЧИКАХ ТЕМПЕРАТУРЫ
Длину твердого тела /( или объем жидкости V( при температу-
ре t можно определить, если известны длина /0 или объем Vo
при температуре, равной 0°С:
/( = /о(1+Р0,
V( = Vo(l+aO.
где 0— температурный коэффициент линейного расширения,
а а — температурный коэффициент объемного расширения дан-
ного вещества. Значения этих коэффициентов для разных ве-
ществ можно найти в справочных таблицах.
Тепловое расширение тел лежит в основе действия первич-
ных измерителей температуры.
Простейший из них — металлический струнный измеритель —
изображен на рисунке 18. Это отрезок металлической прово-
локи, натягиваемый пружиной и помещаемый в контролируе-
мую среду. При изменении температуры среды конец датчика,
прикрепленный к пружине, совершает перемещение, равное удли-
нению отрезка проволоки. В этом и состоит в данном случае
первичное измерение температуры.
Другим видом первичного измерителя температуры, действие
которого основано на явлении теплового расширения металлов,
является уже знакомая биметаллическая пластина (см. § 3).
Если такую пластину поместить в контролируемую среду, то
при изменении температуры пластина изгибается и ее свободный
конец совершает некоторое перемещение.
Первичное измерение температуры может быть основано и
на объемном тепловом расширении газов или жидкостей. На
рисунке 19 показан первичный измеритель, в котором увеличение
давления газа в баллоне при повышении температуры контро-
лируемой среды вызывает прогиб упругой мембраны и соответ-
ствующее перемещение прикрепленного к мембране толкателя.
27
19
Рис. 20. Первичный измеритель температуры, основанный на объемном тепловом
расширении жидкостей и работающий по принципу контактного термометра
(I — электроды; 2— контакты разъемного соединения с сигнальным устройством;
3 — раствор электролита)
20
Рис. 19. Первичный измеритель температуры, основанный иа объемном тепловом
расширении газов (1 — баллон с газом; 2— мембрана; 3 — толкатель)
Тепловое расширение жидкости в резервуаре приводит к ее
подъему по трубке. Если жидкость представляет собой раствор
электролита, т. е. является проводником, то в результате подъема
ее уровня она приходит в соприкосновение с верхним электродом
(рис. 20) и замыкает электрическую цепь исполнительного орга-
на. Первичный измеритель в этом случае действует по принципу
контактного термометра.
Р 1. Как действует струнный иервичиый измеритель температуры?
2. Как действует иервичиый измеритель температуры, основанный иа исполь-
зовании биметаллической пластины?
3. Как устроен иервичиый измеритель температуры, основанный иа зависи-
мости давления газв от температуры?
4. Начертите схему использования жидкостного датчика температуры, рабо-
тающего по приицииу контактного термометра. Какие жидкости можно приме-
нять в таком дат<шке?
Задачи
2.1. Торговые автоматы относитси к автоматическим устройствам рефлектор-
ного типа. Когда иа ждущее пусковое устройство воздействует опущенная монета,
происходит запуск автомата и отрабатывание полного цикла действий, завершаю-
щегося выдачей оплаченного товара.
Ждущее иусковое устройство должно контролировать достоинство опущен-
ной монеты, что может осуществляться ио ее весу или диаметру. Предложите воз-
можную конструкцию ждущего пускового устройства такого автомата.
2.2. Как можно превратить обыкновенные часы-ходики с гирей в будильиии.
28
не производя каких-либо изменений в
самих часах и их циферблате? Предло-
жите конструкцию всномогательиого
устройства.
2.3. В бытовых электропылесосах
имеется сигнальная ламночка, которая
подает сигнал о необходимости по-
чистить пылесборинк пылесоса. Прин-
ципиальная схема этого сигнального
устройства представлена иа рисунке 21
(/ — датчнк давлении, 2 — сигналь-
ная лампочка, 3 — шланг, соединяю-
щий датчик давлении и камеру разре-
жения иылесоса, 4 — мембрана датчи-
ка), На основе физических законов
и явлений опишите работу такого
устройства.
2.4. Предложите конструкцию ан-
Рис. 21. К задаче 2.3
тематического устройства, которое подавало бы сигнал возникновения ускореинн
прн двкжеянн экнпажа ио прямой лнинн. Как обеспечить определение знака
проекции ускорения иа ось, сонадающую с нримолинейной траекторией, этим
устройством?
2.5. Разработайте конструкцию программного устройства для циклических
переключений в гнрлииде новогодней елки, основанного иа использовании закона
равномерного движения.
2.6. На рисунке 22 изображена схема водонасосной станции с автоматичес-
ким ограниченней максимально донустнмого уровня воды в резервуаре. Объяс-
ните его действие.
2.7. Какие изменения необходимо произвести в схеме, приведенной иа ри-
сунке 22, чтобы автоматически осуществлялось ограничение ннжнего уровня
жидкости в резервуаре?
29
Рнс. 23. К задаче 2.8
Рнс. 24. К задаче 2.9
2.8. Автоматическое устройство, схема которого представлена на рисунке 23,
осуществляет сигнализацию о заполнении бункера комбайна зерном. Опишите
действие этого устройства.
2.9. При нагревании баллона А (рнс. 24) в нем повышается давление воздуха.
К баллону присоединено устройство для сигнализации о максимально допусти-
мом повышении температуры. Объясните действие этого устройства. Изобразите
его состояние в момент сигнализации.
2.10. Средн средств контроля за работой автомобиля нмеетси дат'ык давле-
ния, который с иомощью контрольной лампы сигнализирует о недостаточном
давлении масла в системе смазки.
Если давление в системе смазки двигателя ниже 20...60 кПа, то подвижный
контакт прижат пружиной к неподвижному, цепь питания контрольной лампы
замкнута и лампа горит. Как только давление масла превысит указанное значение,
диафрагма выгибается и, преодолевая сопротивление иружииы, толкателем от-
жимает подвижный контакт от неподвижного — цеиь размыкаетси и лампа гаснет.
Начертите электрическую схему такого автоматического сигнализатора.
2.11. В качестве первичного измерителя давления (см. задачу 2.10) может
Рис. 25. Первичный измеритель давления (/ — сильфон; 2 — толкатель)
Рис 26 Схема дистанционного измерения давления жидкости с использованием
сильфонно-реостатного датчика
.40
быть использован сильфон с толкателем (рис. 25). При понижении давлении
сильфон сжимается, контактная пара замыкается. Начертите схему действующей
таким образом автоматической системы контроля.
2.12. На рисунке 26 приведена принципиальная схема дистанционного изме-
рении давления жидкости в системе смазки автомобили. Первичным измерите-
лем давления служит сильфон с толкателем. Поясните принцип действии этого
устройства.
2.13. Для измерения тягового сопротивления сельскохозяйственных машин
пользуются пружинными динамометрами, за показаниями которых при движе-
нии машины следить неудобно. Поэтому динамометры доиолняют реостатным
датчиком (рис. 27). Стрелка динамометра 1 соединена с движком реостата 2.
Дорисуйте электрическую схему этого устройства таким образом, чтобы оно обес-
печивало возможность отсчета значения тягового усилии непосредственно в каби-
не трактора.
2.14. На рисунке 28 представлена электрическая цепь лампочки, которая
включается посредством груза А, опускающегося на нормально разомкнутые
контакты при определенной температуре окружающей среды. Рассчитайте, при
какой температуре лампочка подаст
световой сигнал, если алюминневия
проволока, ни которой подвешен груз,
имеет при температуре Л=20°С дли-
ну 0,5 м, а расстояние между контак-
тами составляет Д1=0,1 мм. Темпера-
турный коэффициент линейного расши-
рения алюминия 0 = 2,32-10“’ К-1-
2.15. Кик увеличить чувствитель-
ность устиновки, расмотренной в пре-
дыдущей задаче? Предложите способы
регулировки прибора дли включения
лампочки нрн различных температурах.
2.16. На рисунке 29 показана элек-
трическая цепь сигнализации о повы-
шении температуры воздуха. Участок
АС этой цепи представляет собой
медную проволоку, имеющую при тем-
31
пературе ti = 24°C длину li =0,4 м. Подвижный контакт К находится на
конце стальной нластнны АВ, укрепленной шарнирно в точке О. Расстоя-
ние AZ между подвижным и неподвижным контактами равно 0,8 мм. Каким
должно быть отношение плеч аг/а\, чтобы сигнальная ламночка включилась
при темиературе h=30° С?
Принять, что температурным изменением подвергается только участок АС.
Температурный коэффициент линейного расширения меди 0 = 1,62-1О-|> К*1.
2.17. На рисунке 30 показана электрическая цепь сигнализации о повыше-
нии температуры окружающей среды. Кякой должна быть нластинка об?
Какие измеиеинн нужно внести в эту схему, чтобы включение приборов
происходило при минимально допустимой температуре в помещении?
2.18. Для автоматического регулирования температуры жидкости в системе
охлаждении дингателя внутреннего сгорания служит терморегулятор, устройство
которого схемитнческн изображено на рисунке 31. Внутри сильфона / находится
некоторое количество смеси этилового спирта с водой. Если температура жидкости
в системе охлаждения ниже 70°С, то клапан 2 закрыт и жидкость не циркулирует
через радиатор. При повышении темиературы жидкости от 70 до 80°С клапан 2
открывается и жидкость-начинает циркулировать в радиаторе. На каком физи-
ческом явлении основано открывание и закрывание клапана сильфоном?
Рис. 31. К задаче 2.18
Рнс. 32. К задаче 2.19
32
2.19. Для контроля температуры в системе охлаждения двигателя применяют
дистанционный термометр (рис. 32). Термометр состоит из датчика 1, который
с помощью капиллярной трубки 2 соединен с манометром 3, снабжеаным темпе-
ратурной шкалой.
Вся система герметична и заполнена легкоиспаряющейся жидкостью, напри-
мер хлорметнлом. Поясните принцня действия дистанционного термометра та-
кого типа.
2.20. На рисунке 33 показано устройство, которое сможет путем включения
лампы отметить небольшое изменение температуры окружающей среды.
Определите, нри каком изменении температуры ДТ окружающей среды заго-
рится лампочка, если в исходном состоянии объем воздуха в системе равен
2 • 10"3 м3, его давление 10s Па и температура равна 20°С. Площадь S попе-
речного сечеаня U-образной трубки 0,5 см2; в трубке морская (или подсолен-
ная) вода. Расстояние h между поверхностью жидкости н электродом состав-
ляет 1 см.
2.21. Предложите схему, где используется контактный термометр для вклю-
чения исполнительной электрической цепи при понаженнн температуры контро-
лируемой среды до заданного значения.
2.22. В системе гидротормозного устройства автомобиля недопустимо умень-
шение тормозной жидкости ниже определенного уровня. Для контроля за уров-
нем тормозной жидкости применяется поплавковый датчик. Предложите схему
автоматического устройства для контроля уровня жидкости в тормозной систе-
ме, использовав переменный резистор в качестве преобразователя перемещения
поплавка в выходной электрический сигнал.
2.23. В автоматических регуляторах температуры часто в качестве датчика
аспользуется контактный термометр. Это очень хрупкий прибор. Предложите
простейшую конструкцию жидкостного контактного термометра, изготовление ко-
торого возможно в школе.
2.24. При работе центробежного регулятора (рнс. 34) втулка К смещается
вверх или вниз, когда частота вращения соответственно увеличивается нлн
уменьшается. Выведите формулу зависимости смещения втулки К от частоты
вращения.
Рис. 33. К задаче 2.20
Рис. 34. К задаче 2.24
2. Зак. 1990 3. М. Резников
33
Практические работы
Работа 1. Снятие характеристики поплавкового датчика
концентрации раствора
Приборы и материалы: поплавок (по типу ареометра), сосуд
для воды, соль, контактная группа, электрическая лампа, источ-
ник тока, соединительные провода, штатив.
Ход работы
1. Постепенно добавляя в сосуд соли и вычисляя каждый раз
концентрацию раствора, отмечайте соответствующие уровни по-
гружения поплавка. Полученные данные занесите в градуировоч-
ную таблицу. Постройте градуировочный график первичного из-
мерителя концентрации раствора.
2. Разработайте схему установки, которая сможет подать све-
товой сигнал, как только концентрация контролируемого раст-
вора достигнет определенного значения.
3. Соберите установку и испытайте ее.
4. Предложите области применения данной установки в быту
или на производстве.
Работа 2. Снятие характеристики газового датчика
температуры
Приборы и материалы: пробирка, Г-образная трубка, расти-
тельное масло, низковольтная электрическая лампа на подставке,
источник тока, соединительные провода, секундомер, термометр,
соль, вода.
Ход работы
1. В пробирку вставьте пробку с отверстием для одного ко-
лена Г-образной трубки. Укрепите пробирку в штативе так, что-
бы второе колено Г-образной трубки с каплей масла было распо-
ложено горизонтально.
2. Погрузите пробирку в сосуд с водой и поставьте этот сосуд
на электрическую плитку.
3. Включив электрическую плитку в сеть, занесите в градуи-
ровочную таблицу значения перемещений капли масла при раз-
личных значениях температуры воды. Постройте график этой за-
висимости.
4. Разработайте схему установки для подачи светового сигна-
ла при определенной температуре контролируемой среды. Собе-
рите установку и испытайте ее.
Работа 3. Снятие характеристики датчика температуры
на биметаллической пластине
Приборы и материалы: колба плоскодонная, биметаллическая
пластина, термометр, контактная группа, низковольтная электри-
34
ческая лампа на подставке, электроплитка лабораторная, источ-
ник тока, соединительные провода, штатив, секундомер.
Ход работы
1. Налейте в колбу воду, опустите в нее термометр и биме-
таллическую пластину, укрепленную на штативе.
2. Поместите эту установку на электроплитку, которую затем
включите в сеть.
3. Занесите в градуировочную таблицу значения угла поворо-
та стрелки, соединенной с биметаллической пластиной, соответ-
ствующие различным значениям температуры воды. Постройте
график этой зависимости.
4. Разработайте схему установки для подачи светового сиг-
нала при достижении температурой контролируемой среды значе-
ния 80°С. Соберите установку и испытайте ее.
5. Опишите, в каких бытовых и промышленных установках
применяются биметаллические пластины.
Работа 4. Включение переменного резистора по реостатной
и потенциометрической схемам
Приборы и материалы: кольцевой потенциометр (из набора
по радиотехнике), миллиамперметр, вольтметр, источник тока,
авометр, проволочные резисторы.
Ход работы
1. По заданным номинальным параметрам переменного рези-
стора, миллиамперметра и источника тока рассчитайте схему
включения резистора как реостата.
2. Соберите установку и произведите ее испытание. Занесите
в градуировочную таблицу значения силы тока в цепи, соответ-
ствующие различным углам поворота оси движка. Постройте
график этой зависимости.
3. Рассчитайте схему включения данного переменного рези-
стора как потенциометра с заданными источником тока и вольт-
метром.
4. Соберите установку и произведите ее испытание. Занесите
в градуировочную таблицу значения напряжений, снимаемые с
потенциометра, соответствующие различным углам поворота оси
движка. Постройте график этой зависимости.
2
ГЛАВА 3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
КОНДЕНСАТОРА
В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
$ 10. ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Электрическая емкость С плоского конденсатора зависит от
площади S его обкладок, расстояния а между ними и ди-
электрической проницаемости е диэлектрика, заполняющего про-
странство между обкладками, и определяется по формуле
гу eoeS
d ’
где ео — электрическая постоянная.
Зависимость емкости конденсатора от расстояния между об-
кладками используется в емкостных датчиках перемещения. Это
могут быть первичные измерители малых перемещений или пре-
образователи перемещения, получающегося на выходе первично-
го измерителя. Схема такого датчика приведена на рисунке 35.
С приближением электропроводящего предмета А к пластинкам
а—а увеличивается электрическая емкость. Системы контроля
с такими датчиками могут подавать сигнал о приближении элек-
тропроводящего предмета на определенное расстояние, т. е. вы-
полнять функцию сторожа. В приведенном примере емкостный
преобразователь используется в качестве первичного измерите-
ля перемещения электропроводящего предмета.
В практике применяются емкостные датчики, основанные не
36
Рис. 35. Схема емкостного датчика типа сторож
Рис. 36. Схема емкостного преобразователя перемещения
36
.47
Рнс. 37. Емкостный преобразователь углового перемещения
только на зависимости емкости от расстояния между обклад-
ками, но и на зависимости емкости от площади обкладок и от
диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Рассмотрим некоторые варианты использования емкостного
преобразователя в микродинамометре. Сила действует на сво-
бодный конец пружины и вызывает ее растяжение. Перемещение
этого конца, пропорциональное измеряемой силе, преобразуется
в изменение площади взаимного перекрытия пластин конденса-
тора, и, следовательно,— в изменение емкости (рис. 36). В этом
варианте емкостного преобразователя происходит параллельное
перемещение одной обкладки конденсатора относительно другой.
Чем меньше площадь взаимного перекрытия обкладок, тем мень-
ше емкость конденсатора. Чем больше измеряемая сила, тем
большим получается перемещение и более значительным будет
уменьшение электроемкости.
Смещение одной обкладки конденсатора относительно другой
при сохранении их параллельности может происходить и путем ее
поворота (рис. 37). В этом случае происходит преобразование
углового перемещения (угла поворота) в изменение емкости
конденсатора.
На рисунке 38 показан датчик устройства автоматического
контроля диаметра шариков на шарикоподшипниковом заводе.
Перемещение толкателя первичного измерителя диаметра D ша-
риков приводит к сближению обкладок конденсатора С и увели-
чению его емкости.
В качестве примера использования в емкостных преобразо-
вателях влияния на емкость конденсатора диэлектрической про-
ницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между
обкладками, может служить емкостный датчик уровня жидкости,
схема которого приведена на рисунке 39. Здесь могут предста-
виться два случая: а) жидкость является диэлектриком; б) жид-
кость является электролитом.
37
Рис. 38. Емкостный датчик для автоматического контроля диаметра шариков
Рис. 39. Емкостный датчик уровня жидкости
Рис. 40. Емкостный преобразователь перемещения
Когда жидкость — диэлектрик, датчик можно рассматривать
как устройство, состоящее из двух конденсаторов, соединенных
параллельно: один из них воздушный, второй — с жидким ди-
электриком. Емкость, приходящаяся на единицу длины и отсчи-
тываемая по высоте пластин, у жидкостного конденсатора боль-
ше, чем у воздушного, в е раз (где е— диэлектрическая прони-
цаемость жидкости, уровень которой контролируется). Чем выше
уровень жидкости, тем больше будет общая электроемкость дат-
чика. В случае же, когда контролируемая жидкость является
электролитом, т. е. проводником электрического тока, обкладки
конденсатора должны быть изолированы от жидкости слоем твер-
дого диэлектрика.
Емкость погруженной в жидкость части конденсатора в этом
случае определяется двойной толщиной 2d( изолирующего слоя
диэлектрика. Емкость на единицу длины -у- в этом случае
определяется так:
Ci__eoeia
hi 2di
где ei — диэлектрическая проницаемость изолирующего диэлек-
трика, а—ширина обкладок (по горизонтали), di— толщина
изолирующего слоя диэлектрика, /г, — глубина погружения об-
кладок конденсатора в жидкость.
Для воздушной части конденсатора соответствующая вели-
Cz
чина — равна:
Сг _ еоегп
hz d ’
где Е2» 1—диэлектрическая проницаемость воздуха, d — рас-
стояние между обкладками, hi — высота непогруженных частей
пластин конденсатора.
38
Рис. 41. Цепь зарядки конденсатора через резистор
Рис. 42. Зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке
через резистор
Так как ei>E2 и d»di, то
Из этого следует, что общая емкость датчика тем больше, чем
выше уровень жидкости.
Разновидность емкостного преобразователя перемещения по-
казана на рисунке 40. Между обкладками конденсатора введен
проводник в форме металлической пластины определенной тол-
щины. В объеме, занимаемом пластиной, электростатического
поля не будет. Поэтому электроемкость этой части конденсатора
оказывается большей, чем в отсутствие металлической пластины.
По мере того как металлическая пластина выдвигается из про-
странства между обкладками, электроемкость конденсатора
уменьшается. На этом и основывается действие такого емкост-
ного преобразователя.
$ 11. ЕМКОСТНЫЕ ЗАДАТЧИКИ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ
Если конденсатор подключить к полюсам источника постоян-
ного тока и при этом включить в цепь резистор (рис. 41), то проис-
ходит постепенная зарядка конденсатора, в процессе которой на-
пряжение на его обкладках возрастает, приближаясь к значению
напряжения на полюсах источника. Зависимость напряжения Uc
на обкладках конденсатора от времени /, истекшего от момента
его включения, определяется формулой1
__i_
Uc=U0(l-e '),
1 Эта формула выводится с помощью методов высшей математики. Соот-
ветствующие выкладки выходят за рамки содержания данной книги.
39
где Uo—напряжение на полюсах источника, е = 2,718...—осно-
вание натуральных логарифмов.
Выясним смысл величины т, которая называется постоянной
времени зарядки. Из приведенной формулы получаем:
I
Uo—Uc= Uoe т .
При t = t имеем:
Uo~Uc=U0e-l=-^~.
Это значит, что по истечении промежутка времени t = x от мо-
мента подключения конденсатора к источнику напряжения на-
пряжение Uc на конденсаторе будет отличаться от напряжения
источника Uo на величину, которая в е раз меньше напряже-
ния Uo-
Очевидно, что по истечении промежутка времени / = 2т ука-
занная разность напряжений составит по истечении време-
ни Зт она составит и т._д. Последовательность этих значений
образует убывающую геометрическую прогрессию со знаменате-
лем Это значит, что напряжение на конденсаторе все более
приближается к значению напряжения на полюсах источника.
Зависимость Uc=f(f) напряжения на конденсаторе от времени1
представлена графически на рисунке 42.
Постоянная времени т зарядки конденсатора определяется
формулой1 2
t = RC,
где С — емкость конденсатора, R — электрическое сопротивление
резистора.
Очевидно, что, чем больше емкость конденсатора и сопро-
тивление резистора, тем больше постоянная времени т и зарядка
конденсатора до какого-либо напряжения происходит за больший
промежуток времени t3.
Если заряженный конденсатор емкостью С разряжается че-
рез резистор с сопротивлением R (рис. 43), то зависимость на-
пряжения UQ на конденсаторе от времени разрядки t опреде-
ляется формулой
(Л = (/Ое-Т
где Uo — начальное напряжение на конденсаторе, a r = RC —
постоянная времени разрядки конденсатора. По истечении вре-
мени t=x напряжение на конденсаторе уменьшается в е раз;
1 Зависимость такого характера называется экспоненциальной.
2 Эта формула следует из математических выкладок, которые здесь ие при-
водятся.
40
Рис. 43. Заряженный конденсатор разряжается через резистор (G — источник
тока, R1— резистор в цепи зарядки конденсатора С, S — переключатель,
R — резистор в цепи разрядки конденсатора С)
Рис. 44. Зависимость напряжения иа конденсаторе от времени при его разрядке
через резистор
по истечении времени / = 2т это напряжение оказывается меньше
в е2 раз и т. д. Это значит, ,что при разрядке конденсатора
значения напряжения на нем, взятые через равные промежутки
времени т, образуют убывающую геометрическую прогрессию
со знаменателем График зависимости напряжения Uc разря-
жающегося конденсатора от времени разрядки приведен на ри-
сунке 44. В процессе разрядки напряжение на конденсаторе
убывает по экспоненциальному закону, стремясь при этом к ну-
левому значению. Чем больше емкость конденсатора и сопротив-
ление резистора, тем больше постоянная времени т и тем медлен-
ней происходит разрядка конденсатора, т. е. тем за больший
промежуток времени напряжение на конденсаторе достигнет за-
данного значения U\ < (Jo-
Используя процесс зарядки либо разрядки конденсатора че-
рез резистор, можно получить сигналы об истечении того или
иного промежутка времени. На схеме (рис. 45) конденсатор С
заряжается очень быстро до напряжения U\ от источника
G1 через резистор R1, который имеет малое сопротивление.
Разрядка этого конденсатора происходит через переменный
резистор R2. С его помощью и задается нужная длитель-
ность промежутка времени. Когда напряжение на конденсаторе
уменьшится до значения напряжения U2, имеющегося на полюсах
источника тока G2, напряжение между точками а и b станет
нулевым (надо иметь в виду, что U2<Ui). После этого поляр-
ность между этими точками поменяется на противоположную
и на выходе появится напряжение указанной на схеме полярно-
сти. Появление этого сигнала служит информацией об истечении
заданного промежутка времени t, который можно изменять при
помощи переменного резистора R2. Чем меньше сопротивление
этого резистора, тем меньше задаваемый промежуток времени.
Движок переменного резистора R2 можно поэтому снабдить
шкалой времени.
41
Рис. 45. Задатчик промежутков времени
Рис. 46. К задаче 3.8
Диоды D1 и D2 служат для разделения цепей разрядки кон-
денсатора и съема сигнала на выходе устройства.
Сигнал об истечении заданного промежутка времени исполь-
зуется в автоматических устройствах для пуска или выключения
исполнительных органов с-Необходимой задержкой во времени.
Задатчики времени используются в бытовой технике.
Так, в домашних стиральных машинах специальное устрой-
ство — таймер (разновидность задатчика времени) позволяет
установить по шкале продолжительность той или иной опера-
ции; по истечении установленного времени таймер выключает
двигатель.
Электронный задатчик времени применяется при фотопечати.
По его шкале устанавливается необходимая выдержка. Затем
общий ключ переводят на экспонирование, при этом одновре-
менно происходит включение лампы фотоувеличителя и конден-
сатора задатчика на разрядку. Выключение же лампы фотоуве-
личителя происходит автоматически с помощью реле, срабаты-
вающего от сигнала задатчика по истечении заданного проме-
жутка времени.
р 1. В чем может состоять назначение емкостного преобразователя в датчиках
автоматических устройств?
2. На каких физических зависимостях основывается действие емкостных
преобразователей?
3. Приведите пример использования емкостного преобразователя в датчике
в качестве первичного измерителя.
4. Что показывает постоянная времени цепи зарядки конденсатора?
5. Что показывает постоянная времени цени разрядки конденсатора?
в. Как можно изменять постоянную времени цепи зарядки (разрядки) кон-
денсатора?
7. Для чего используется в автоматике процесс зарядки (разрядки) конден-
сатора через резистор? Начертите возможные схемы.
4'2
Задачи
3.1. Выведите формулу зависимости электрической емкости преобразователя
от перемещения в случае, показанном на рисунке 36.
3.2. Выведите формулу зависимости электрической емкости преобразователя
от угла поворота его ротора (см. рис. 37).
3.3. Выведите формулу зависимости электрической емкости датчика от вы-
соты уровня жидкости (см. рис. 39) в случае, когда жидкость является диэлек-
триком.
3.4. Выведите формулу зависимости электрической емкости датчика от вы-
соты уровня электролита (см. рис. 39).
3.5. Вынедите формулу зависимости емкости преобразователя, представлен-
ного иа рисунке 40, от перемещения металлической пластины толщиной d(, на-
ходящейся между обкладками конденсатора.
3.6. Выведите формулу зависимости емкости преобразователи, представлен-
ного иа рисунке 40, от перемещения находящейся между обкладками конден-
сатора диэлектрической иластяиы толщиной d(, имеющей диэлектрическую
проницаемость е.
3.7. Емкостные преобразователи используются в системе аварийной сигна-
лизации. Так, если конденсатор заполнить титанатом баряя, то нри определен ной
температуре (точке Кюри) диэлектрическая проницаемость данного вещества
возрастает во много раз, при этом резко меняется емкость датчика. Рассчитайте
отношение Сг/Сх (где С( —емкость датчика при комнатной температуре, Сг •—
емкость при температуре, соответствующей точке Кюри). Для титаната бнрия
ei = 1200 (при комнатной температуре), ег = Ы04 (при точке Кюри, равной
120°С).
3.8. На рисунке 46 изображена схема применения конденсатора в качестве
уровнемера для непроводящей жидкости. Объясните схему и физический прин-
цип действия установки.
3.9. Предложите свой вариант емкостного измерителя уровня жидкости н
для него определите функциональную зависимость напряжения V на конден-
саторе от высоты / уровня вещества, т. е. U если считать, что t/(, е и d —
величины постоянные. Здесь U t — напряжение иа конденсаторе при максималь-
ном за иол не иии сосуда веществом с относительной диэлектрической прони-
цаемостью е, d — расстояние между пластинами.
3.10. Рассчитайте сопротивление резистора, который надо включить последо-
вательно с конденсатором (см. рис. 41), чтобы за 3 с после замыкания ключа S
напряжение Uc иа конденсаторе возросло до значения, составляющего половину
напряжения Uo источника
(t/c=T-)-
Емкость конденсатора равна 60,5 мкФ (максимальная емкость батареи конден-
саторов, которая имеется в физическом кабинете школы).
3.11. Рассчитайте, в течение какого времени после переключения ключа S
(см. рис. 43) напрнженне на пластинах конденсатора уменьшится на 25%. При-
нять С = 40 мкФ, R = 1,5 МОм.
43
Практическая работа
Работа 5. Расчет, конструирование, сборка и испытание
емкостного задатчика промежутков времени
Приборы и материалы: батарея конденсаторов, резисторы
переменный (1,5 Ом) и постоянный (100 кОм) [11] ', поляризо-
ванное реле [1], полупроводниковый диод [16], источник питания
для практикума, батарея БАС-40, аккумулятор, секундомер, элек-
трическая низковольтная лампа на подставке, вольтметр, пере-
ключатель, соединительные провода, картон для шкалы времени.
Ход работы
1. Изучите схему (рис. 47) испытания и градуировки R—С —
задатчика промежутков времени.
2. Соберите экспериментальную установку.
3. Укрепите на переменном резисторе картонный диск для
шкалы времени с равномерно расположенными делениями.
4. Измерьте напряжения на источниках тока G1 и G2.
5. Произведите градуировку задатчика времени.
6. Ответьте на следующие вопросы:
а) Почему необходимо, чтобы напряжение источника тока
G2 было меньше напряжения источника тока G1?
б) При каких условиях через катушку реле начинает про-
текать ток?
в) Какова роль полупроводниковых диодов D1 и D2 в схе-
1 В квадратных скобках указан номер учебного оборудования по списку,
который приводится в конце книги в приложении 3.
ГЛАВА 4
МАГНИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИКИ
$ 12. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
Наиболее простым устройством, нашедшим в электроавтома-
тике широкое применение, является электромагнит. Его действие
основано на явлении существования магнитного поля вокруг
проводника с током и на свойствах ферромагнетиков.
Электромагнит представляет собой проволочную катушку, на-
саженную на магнитопровод (рис. 48). Концы магнитопровода
являются полюсами электромагнита. Если магнитопровод имеет
форму, показанную на рисунке 48, то притянутый к ним ферро-
магнетик может либо совсем замкнуть магнитопровод (рис. 49),
либо оставить некоторый зазор (рис. 50).
Если магнитопровод окажется замкнутым, то сила, с которой
ферромагнетик притягивается к магнитопроводу, будет наиболь-
шей. Важнейшим свойством электромагнита (по сравнению
с постоянным магнитом) является исчезновение или значи-
тельное уменьшение этой силы после выключения тока в ка-
тушке. На этом свойстве основано действие электромагнит-
ных кранов, с помощью которых осуществляется транспор-
тировка стальных предметов и изделий без использования ме-
ханических способов крепления. Оно же лежит в основе при-
менения электромагнитов в специальных устройствах, исполь-
зуемых в автоматике. В них к полюсам электромагнита
притягиваются не посторонние ферромагнитные предметы, а
специальная ферромагнитная пластина, которая называется
якорем. Через якорь замыкается магнитный поток электро-
магнита. Притяжение якоря к полюсам электромагнита исполь-
зуется для выполнения какого-либо действия, например для
замыкания или размыкания контактов.
Особенностью электромагнитов с притяжным якорем является
малый ход самого якоря. Поэтому такие электромагниты почти
не применяются в качестве исполнительных органов, но приме-
няются в разнообразных устройствах, где достаточным является
небольшой ход якоря.
Магнитопровод и якорь изготовляются из магнитомягкой
стали, характеризующейся малой остаточной намагниченностью1.
1 Специальные виды магнитожесткой стали, наоборот, характеризуются
большой остаточной намагниченностью и используются, например, для изготов-
ления постоянных магнитов.
45
49
Рис. 48. Электромагнит
Рис. 49. Электромагнит. Ферромагнетик
притянулся и замкнул магнитную цепь
После выключения электрического тока в катушке магнитопро-
вод и якорь практически полностью размагничиваются и сила
притяжения якоря к полюсам магнитопровода почти целиком
исчезает.
Находят применение электромагниты с втяжным якорем
(рис. 51). У таких электромагнитов нет замкнутого магнитопро-
вода. Втяжной якорь находится в устойчивом равновесном по-
Равнобесное положение
якоря 51
Рис. 50. Электромагнит. Притянутый
к одному полюсу ферромагнетик
не замыкает магнитную цепь
Рис. 51. Электромагнит с втяжным
якорем
Рис. 52. В межполюсном пространстве
электромагнита магнитное поле
вызывает поворот рамкн с током
46
ложении, если его концы равноудалены от середины катушки.
Если же сердечник выведен из этого положения, то на него дей-
ствует со стороны магнитного поля катушки сила, направлен-
ная в сторону равновесного положения. Электромагниты такого
типа отличаются большим ходом якоря. Это тяговые электро-
магниты, которые используются в качестве привода исполни-
тельных органов автоматических устройств.
Рассматривая действие различных электромагнитных ус-
тройств, необходимо руководствоваться следующим общим прин-
ципом: результатом взаимодействия электромагнита и якоря
всегда является такое их относительное размещение, при кото-
ром магнитный поток оказывается максимальным. В соответствии
с этим принципом в результате перемещения якоря (поступа-
тельного или вращательного) воздушный зазор в магнитопро-
воде должен стать минимальным. Именно в этом случае магнит-
ный поток будет иметь наибольшее значение.
Наконец, электромагниты могут применяться для создания
сильного магнитного поля, которое способно действовать на
подвижную рамку с током, вызывая ее поворот (рис. 52).
В этих случаях электромагнит представляет собой проволочную
катушку, насаженную на магнитопровод, имеющий большой за-
зор. Именно в пространстве между концами магнитопровода
(в межполюсном пространстве) помещают проволочную рамку,
имеющую возможность поворачиваться вокруг своей оси. Через
две спиральные пружины в рамку подается ток.
При прохождении по рамке тока последний в противополож-
ных сторонах рамки течет в разных направлениях относительно
магнитного поля. Поэтому магнитное поле действует на эти сторо-
ны рамки с противоположно направленными силами Л и Fz,
вызывающими поворот рамки. Устройства, в которых использует-
ся этот принцип, называются электродинамическими.
р 1. На каких физических явлениях основывается действие влектромагнита?
2. Каким принципом определяется равновесное положение якоря электро-
магнита? Какое положение втяжного якоря электромагнита является устой-
чивым?
$ 13. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕ И ИХ НАЗНАЧЕНИИ
В электроавтоматике слабые сигналы, исходящие от датчиков,
должны управлять работой достаточно мощных исполнительных
органов: включать их или выключать. Это очень часто осущест-
вляется при помощи особых устройств — реле. Реле одновре-
менно входит в две электрические цепи (рис. 53): в слаботоч-
ную электрическую цепь управления и исполнительную цепь, в
которую включен потребитель большой мощности — исполнитель-
ный орган. Реле позволяет с помощью слабого тока замкнуть или
разомкнуть цепь, где протекает ток большой мощности.
47
Применение реле имеет большое значение также при управле-
нии мощным исполнительным органом, находящимся на боль-
шом расстоянии от датчика или от коммутационного устрой-
ства (рис. 54). В этом случае протяженной является управляю-
щая слаботочная цепь. Потери энергии в этой цепи из-за малого
значения силы тока будут незначительными. Небольшими они бу-
дут и в исполнительной цепи, так как длина проводов небольшая
и, следовательно, невелико их сопротивление.
Если бы дистанционное управление мощным потребителем
осуществлялось без применения реле (рис. 55), то протяженность
и сопротивление проводов исполнительной цепи были бы боль-
шими, что при значительной силе тока приводило бы к большой
потере энергии. Важно и то, что при использовании реле в цепи
управления может быть применено низкое напряжение. Это де-
лает работу оператора безопасной.
Особенностью реле является скачкообразный характер их дей-
ствия. Как только сила тока в цепи управления достигает опре-
Рис. Г><|. Дистанционное управление электродвигателем при помощи реле
-1Н
целенного значения, называемого током срабатывания, сразу
происходит скачкообразное изменение силы тока в исполнитель-
ной цепи.
В автоматических системах применяются различные типы ре-
ле. Наибольшее распространение получили электромеханические,
электронные и ионные реле.
Наиболее существенное различие между ними состоит в том,
что электромеханические реле являются контактными, а электрон-
ные и ионные — бесконтактными.
Изменение состояния реле, происходящее в результате плав-
ного увеличения входной величины (силы тока или напряжения
в цепи управления) и приводящее к скачкообразному измене-
нию (возрастанию или убыванию) выходной величины (силы
тока в исполнительной цепи), называется срабатыванием реле.
Изменение же состояния реле при плавном убывании входной
величины, приводящее к скачкообразному изменению выходной
величины обратного характера (убыванию или возрастанию, соот-
ветственно) , называется отпусканием реле. Отношение минималь-
ного значения Хг выходной величины к ее максимальному -значе-
нию Xi — одна из характеристик реле.
Наибольшее различие между значениями выходной физи-
ческой величины в двух состояниях реле надежно обеспечивают
электромеханические реле. При их использовании управление
током в исполнительной цепи происходит путем замыкания или
размыкания контактов реле, включенных в эту цепь. Когда кон-
такты замыкаются, сила тока в цепи быстро возрастает от нуля
до значения, на которое рассчитан потребитель (исполнитель-
ный орган); при размыкании контактов сила тока быстро убы-
вает до нуля.
При использовании реле других типов различие между ука-
занными значениями Л) и Хг выходной физической величины
может быть не столь четким. В случае электромеханического
контактного реле указанное отношение равно нулю. В менее со-
вершенных по их коммутирующему действию бесконтактных
электронных и ионных реле
Хг/Х\ >0. По этой причине во
многих случаях отдают пред-
почтение контактным электро-
механическим реле.
Однако Х2/Х\ не является
единственным параметром, оп-
ределяющим выбор типа реле
для их использования в конк-
ретной ситуации. В ряде случа-
ев определяющими являются
надежность и быстродействие.
Коммутация с помощью кон-
тактных групп связана с искро-
55
Рис. 55. Дистанционное управление
электродвигателем при помощи
простого рубильника
49
образованием и, следовательно, окислением контактов. Окислив-
шиеся контакты не обеспечивают включения исполнительной
цепи. В тех случаях, когда частота срабатывания и отпускания
реле велика, преимущество, по указанной причине, за электрон-
ными и ионными реле. Последние также выгодно отличаются
от электромеханических малым временем срабатывания и, сле-
довательно, высоким быстродействием. Контактные электроме-
ханические реле, в свою очередь, также бывают различных си-
стем. Мы рассмотрим три, наиболее используемые системы: элек-
тромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические.
1. Каково назначение реле в автоматических устройствах?
2. Что называется срабатыванием и отпусканием реле?
3. В чем состоит особенность электромеханических реле (в сравнении с
электронными или ионными реле)?
§ 14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ
Схематически устройство электромагнитного реле показано на
рисунке 56. Основной чаетью такого реле является электромаг-
нит, представляющий собой П-образный железный магнитопровод
(сердечник), на который надета катушка 1 из изолированной
проволоки 5. При прохождении по катушке электрического то-
ка магнитопровод намагничивается и притягивает якорь, пред-
ставляющий собой стальную планку 2 в форме угольника, имею-
щую возможность поворачиваться вокруг оси. Специальный изо-
ляционный упорный штифт 6, укрепленный на конце угольника,
соприкасается с плоской стальной пружиной 4, несущей под-
вижный контакт,— контактной пружиной.
56 4 3
Рис. 56. Электромагнитное реле
с нормально разомкнутой контактной
парой
При отсутствии тока в ка-
тушке сила упругости контакт-
ной пружины удерживает якорь
в непритянутом состоянии, кон-
такты <3 при этом разомкнуты.
Когда же якорь притягивается,
упорный штифт нажимает на
контактную пружину и проис-
ходит их замыкание.
За счет остаточного магне-
тизма сердечника и якоря по-
следний может оставаться в
притянутом состоянии и после
выключения тока в катушке
(явление залипания якоря).
Чтобы исключить такое нару-
шение, на якоре укреплен не-
ферромагнитный (обычно ла-
тунный) штифт 7, ограничи-
50
Рис. 57. Нормально замкнутая контактная пара
Рис. 58. Контактная группа, работающая на переключение
вающий приближение якоря к торцу сердечника. Поэтому сила
притяжения, действующая на якорь за счет остаточного магне-
тизма сердечника, оказывается меньше силы упругости пружины,
и реле отпускает, т. е. якорь возвращается в исходное положе-
ние, в котором он находился до включения тока в цепи катушки.
Как видно из рисунка 56, контакты реле при обесточенной
катушке разомкнуты. Такие контакты называют нормально разом-
кнутыми.
Но на практике часто необходимо, чтобы при обесточенной
катушке контакты реле были замкнуты, а при включении тока в
цепи катушки контакты размыкались. Такие контакты называют
нормально замкнутыми (рис. 57). Они отличаются от нормально
разомкнутых тем, что' подвижным является не ближайший к сер-
дечнику контакт, а дальний. Изоляционный упорный штифт в
этом случае пропущен через отверстие в контактной пружине и
при включении тока в цепи катушки (при срабатывании реле)
нажимает на дальнюю контакт-
ную пружину, производя раз-
мыкание контактов.
Наконец, контактная груп-
па может быть переключающей
(рис. 58). Она состоит из трех
контактных пружин. Контакт-
ная пара, образуемая ближним
и средним контактами, являет-
ся нормально замкнутой, а
средний и дальний контакты
представляют собой нормально
разомкнутую контактную пару.
Упорный штифт якоря нажи-
мает на среднюю контактную
пружину, производя размыка-
ние внутренней контактной па-
ры и замыкание внешней.
На рисунке 59 показано
Рис. 59. Применение электромагнитного
реле с переключающей контактной
группой
51
Электромагнитное реле с несколькими контактными группами
Рис. 61. Применение реле с несколькими
контактными группами
применение реле, имеющего
переключающую контактную
группу. Оно используется для
одновременного включения од-
ного потребителя (двигателя
М) и выключения другого —
электрической лампы Н. Во
многих случаях в автомати-
ческих устройствах использу-
ются реле, имеющие по не-
скольку контактных групп
(рис. 60), которые управляют-
ся общим упорным штифтом.
Такое реле при срабатывании
или отпускании производит
включение, выключение или
переключение в нескольких
электрических цепях одновре-
менно (рис. 61).
Р 1. Как устроено электромагнитное реле?
2. Какие виды контактных групп примениются в электромагнитных реле?
3. В чем состоит явление залипания якоря электромагнитного реле и как это
явление предотвращается?
4. В чем состоит смысл применения у одного реле нескольких контактных
групп; нескольких обмоток?
§ 15. УСЛОВИЯ СРАБАТЫВАНИЯ И ОТПУСКАНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ
В автоматике применяются электромагнитные реле с различ-
ными значениями их физических характеристик, которыми явля-
ются: ток срабатывания /ср, ток отпускания /от( время срабатыва-
52
пня <ср, время отпускания разрывная мощность контактов
/'к и обмоточные данные (число витков N, диаметр проволоки d,
сопротивление /?).
Ток срабатывания электромагнитного реле зависит от числа
питков обмотки, так как в соответствии с принципом суперпози-
ции полей магнитная индукция В является суммой магнитной
индукции магнитных полей, создаваемых отдельными витками
обмотки при протекании по ним тока. Вместе с тем ток срабаты-
вания зависит от суммарной жесткости контактных пружин, ко-
торые перемещаются упорным штифтом. Регулировкой длины
контактного штифта можно изменять в определенных границах
начальную деформацию контактных пружин и, следовательно, зна-
чение тока срабатывания.
Во многих случаях используются многообмоточные реле, т. е.
реле, в которых на сердечник надевают катушку с несколькими
обмотками, имеющими отдельные выводы, либо одну обмотку
с несколькими промежуточными выводами. В зависимости от чи-
сла витков включаемой обмотки (или части обмотки) реле будет
характеризоваться тем или иным током срабатывания.
Срабатывание многообмоточного реле может зависеть от зна-
чений и направлений токов, протекающих в различных цепях,
п которые включены эти обмотки.
В автоматических устройствах к реле предъявляются различ-
ные требования в отношении времени срабатывания и времени от-
пускания. В одних случаях их значения должны быть минималь-
ными, т. е. реле должно срабатывать или отпускать как можно
быстрее после поступления или исчезновения управляющего
электрического импульса. В других же случаях необходимо их
увеличивать.
Время срабатывания реле складывается из времени трогания
и времени движения якоря. Время трогания при срабатывании
реле — это время, за которое после замыкания цепи катушки
сила тока в ней нарастает до значения, равного току срабатыва-
ния. В зависимости от конструктивных особенностей конкретно-
го реле время срабатывания составляет величину, которая колеб-
лется в пределах от 5 до 60 мс.
Время отпускания реле также складывается из времени тро-
гания реле и времени движения якоря. Время трогания при отпус-
кании — это время между моментом выключения тока в катушке
и моментом, когда магнитный поток достигает такого малого
значения, что под действием силы упругости пружины якорь
начинает двигаться от сердечника (начинается отпускание реле).
Время движения якоря при отпускании — это время от момента
трогания реле до момента срабатывания контактных групп (их
замыкание либо размыкание).
Время движения якоря при срабатывании и отпускании зави-
сит от инертности якоря и разности между магнитной силой и
силой упругости в процессе его движения.
53
Так как время трогания при
срабатывании и отпускании ре-
ле зависит от быстроты изме-
нения (нарастания или убыва-
ния) тока в катушке, то его
можно увеличить за счет при-
менения соответствующих схем
включения катушки. Число, по-
казывающее во сколько раз
увеличивается время трогания
за счет применения той или
иной схемы включения катуш-
ки реле, называется кратностью
замедления.
На рисунке 62 приведена
Рис. 62. Схема включения
электромеханического реле,
обеспечивающая увеличение времени
трогания при отпускании
в качестве примера схема включения катушки электроме-
ханического реле К, обеспечивающая увеличение времени
трогания при отпускании в 3...5 раз. При замыкании клю-
ча S ток по ветви R—D не течет, так как диод D вклю-
чен в обратном направлении. Следовательно, эта ветвь не влияет
на время трогания при срабатывании. Но после размыкания клю-
ча S ток самоиндукции, возникающий благодаря наличию у ка-
тушки реле индуктивности, течет через диод D и резистор R.
(Для тока самоиндукции диод D оказывается включенным в про-
пускном направлении.) Это и приводит к увеличению времени
трогания при отпускании.
Реле с повышенным временем срабатывания или отпускания
называются реле времени. В автоматике такие реле применяются
для обеспечения нужной последовательности включения разных
элементов.
Р 1. Из чего складываются время срабатывания и время отпускания реле?
2. Предложите возможные схемы увеличения времени трогания реле при сра-
батывании и отпускании, основанные иа использовании резисторов, диодов,
конденсаторов, электрических ламп накаливания.
§ 16. РАЗРЫВНАЯ МОЩНОСТЬ КОНТАКТОВ РЕЛЕ
При разведении контактов не всегда может быть обеспечено
прекращение тока. В определенных условиях между контактами
возникает электрическая дуга и через нее продолжает течь ток
в цепи. В этом случае контактная пара не размыкает исполни-
тельную цепь. Кроме того, возникновение электрической дуги
приводит к окислению и разрушению поверхности контактов, к
увеличению переходного сопротивления.
Основным параметром, от которого зависит возникновение
электрической дуги, является значение мощности тока Р, которое
равно произведению напряжения на зажимах источника тока и
силы тока в электрической цепи.
54
Как известно, электрическая дуга — это самостоятельный га-
ювый разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией. Но
для возникновения термоэлектронной эмиссии необходимо, чтобы
контакт, имеющий соединение с отрицательным зажимом источни-
ка, нагревался до высокой температуры. Такой нагрев может
возникнуть при бомбардировке контакта интенсивным потоком
ионов, имеющих большую кинетическую энергию. А это означает,
что термоэлектронная эмиссия и, следовательно, электрическая
дуга возникают, если разрывная мощность тока достаточно вели-
ка. Большое значение имеют условия нагрева и охлаждения кон-
такта, а также его площадь и масса. Поэтому в каждом конкрет-
ном случае контактная пара имеет те или иные конструктивные
особенности.
Контакты, предназначенные для размыкания цепей небольшой
мощности тока, изготовляются из серебра, платины, платино-
иридиевого сплава, сплавов серебра с золотом, никелем и други-
ми металлами. Более мощные контакты изготовляются из воль-
фрама и его сплавов с серебром. Для размыкания цепей с током
очень большой мощности контакты делаются из красной меди и
графита.
Таким образом, в зависимости от материала и конструкции кон-
тактной группы она может применяться для разрыва цепи с то-
ком большей или меньшей мощности. В связи с этим очень
важной характеристикой контактов является их разрывная мощ-
ность, т. е. наибольшая мощность электрического тока в цепи,
размыкание которой можно осуществить при помощи данной
контактной пары без разрушения контактных поверхностей.
J 1. В чем состоит основной недостаток контактных схем?
2. Что понимают под разрывной мощностью контактов?
3. Как зависят конструктивные особенности контактов от разрывной мощно-
сти тока?
§ 17. НЕЙТРАЛЬНЫЕ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ
Действие рассмотренных электромагнитных реле не зависит
от направления тока в катушке, т. е. при любом направлении
тока срабатывание и отпускание реле происходят одинаково.
Такие реле, которые «безразличный к направлению тока, назы-
вают нейтральными.
У них достаточно велик ток срабатывания. Он может соста-
вить десятки, даже сотни миллиампер. Однако в некоторых
случаях в автоматических устройствах необходимы реле,
имеющие меньший ток срабатывания. Это первичные реле,
к которым поступают слабые сигналы, например от датчиков,
и которые управляют работой исполнительных органов значи-
тельной мощности тока не непосредственно, а через другие
55
Рис. 63. Устройство поляризованного
электромагнитного реле (1 —
постоянный магнит; 2 — катушка на
ферромагнитном сердечнике; 3 —
якорь; 4 — подвижный контакт; 5—
5' — неподвижные контакты; 6 —
контактная пружина; 7 — пружины
якоря)
реле, характеризующиеся боль-
шим током срабатывания и
большей разрывной мощностью
контактов.
В качестве первичных ис-
пользуются так называемые
поляризованные реле, их ток
срабатывания выражается де-
сятыми или даже сотыми доля-
ми миллиампера.
Поляризованное реле мо-
жет иметь такую конструкцию,
при которой оно реагирует на
изменение направления тока
управления. Такое реле, так же
как и нейтральное, имеет по-
движный якорь и неподвижную
обмотку. Различие имеется в
составе магнитопровода. У по-
ляризованного реле часть маг-
нитопровода представляет со-
бой постоянный магнит, кото-
рый этот магнитопровод поля-
ризует, т. е. у него появляют-
ся магнитные полюсы. Поэтому
реле такого типа и называют
поляризованным.
Устройство одного из ви-
дов поляризованного реле схематически показано на рисун-
ке 63.
Между полюсами постоянного магнита 1 находится подвиж-
ный якорь 3, который удерживается в среднем (нейтральном)
положении пружинами 7. При прохождении постоянного тока
по катушке 2, надетой на неподвижный сердечник, магнитный
поток, создаваемый этой катушкой, замыкается через постоян-
ный магнит. При этом он состоит из двух частей, имеющих раз-
ные направления (на рисунке пунктирные линии). Одна часть
имеет направление в ту же сторону, что и магнитный поток
постоянного магнита, который обозначен на рисунке 63 сплош-
ной линией, вторая — ему навстречу.
В результате суммарный магнитный поток по одну сторону
подвижного якоря оказывается больше, чем по другую, и под-
вижный якорь поворачивается в сторону большего магнитного
потока (чем больше магнитный поток, тем большая сила дей-
ствует на якорь).
При изменении направления тока в катушке 2 меняется на-
правление магнитного потока, создаваемого этой катушкой, и
подвижный якорь отклоняется в другую сторону. Таким образом,
56
направление отклонения якоря зависит от направления тока в ка-
тушке. К якорю прикреплен на плоской пружине 6 подвижный
контакт 4, находящийся между двумя неподвижными контакта-
ми 5 и 5'. Следовательно, эта контактная группа работает на
переключение. Поляризованное реле, у которого подвижный якорь
удерживается в нейтральном положении пружинами, является
трехпозиционным. При отсутствии тока в катушке пружины
удерживают якорь в нейтральном положении и контакты разом-
кнуты; когда же в катушку поступает ток, то происходит соеди-
нение подвижного контакта с тем или другим неподвижным
контактом в зависимости от направления тока.
Однако если с помощью регулировочного винта 5 или 5' при-
вести один неподвижный контакт в соприкосновение с подвиж-
ным, когда последний находится в нейтральном положении, то
трехпозиционное реле превратится в двухпозиционное. В этом
случае реле срабатывает при одном направлении тока. При
отсутствии тока в катушке или другом его направлении подвиж-
ный контакт остается на месте и присоединен к одному из не-
подвижных контактов. Нейтрального положения реле в таком
случае не имеет.
Поляризованные реле характеризуются достаточно высо-
ким быстродействием: их время срабатывания составляет
1...5 мс.
В настоящее время промышленность выпускает различные
серии малогабаритных нейтральных и поляризованных электро-
магнитных реле. Самые миниатюрные из них имеют массу
около 5 г и объем 2 см3. Такие электромагнитные реле соизмеримы
с полупроводниковыми приборами, например диодами, транзи-
сторами.
Реле такой серии помещается в герметический корпус, а
выводы от обмоток электромагнита и контактов выводятся на
цоколь через стеклянные «слезки». Благодаря этому реле рабо-
тают надежно в любых метеорологических условиях: при высо-
кой влажности, низком атмосферном давлении и др. Кроме того,
современные малогабаритные электромагнитные реле рассчиты-
ваются на надежную работу при значительных внешних меха-
нических воздействиях, например при больших ускорениях, ин-
тенсивных вибрациях, ударах.
Все выпускаемые промышленностью малогабаритные реле по
своему функциональному назначению делятся на две группы.
К одной группе относятся реле очень высокой чувствитель-
ности по напряжению или по току. Такие реле используются для
преобразования очень слабых пороговых изменений контроли-
руемых величин в значительно большие сигналы в исполнитель-
ной цепи.
К другой группе относятся менее чувствительные реле серии
ДП, предназначенные для использования в качестве дистанцион-
ных переключателей.
57
Малогабаритное электромагнитное реле является в настоя-
щее время одним из основных элементов автоматики и телеме-
ханики.
9 1. Чем отличаются в поведении нейтральные и поляризованные реле?
2. Как устроено поляризованное реле? Чем достигается его магнитная
поляризация?
3. Сравните поляризованное реле с нейтральным по значению тока сраба-
тывания и мощности срабатывания.
4. В чем особенность трехиозициоииого поляризованного реле? Как можно
трехпозиционное поляризованное реле превратить в двухпозициоиное?
§ 18. МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЕ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ
КОНТАКТЫ
Электромеханические реле не лишены недостатков, таких, как
громоздкость, инерционность, наличие подвижных деталей, ме-
ханических контактов, которые являются причинами отказов.
Когда появились бесконтактные электронные и ионные реле
(о них будет рассказано позже), то область применения контакт-
ной релейной техники значительно сузилась.
Однако электромеханические реле по сравнению с бескон-
тактными также имеют ряд преимуществ, к которым относятся
отсутствие токовой связи между управляющей и исполнительной
цепями, допустимость значительных перегрузок в цепи контак-
тов как по току, так и по напряжению, очень малые потери
мощности в контактном переходе, практически бесконечное от-
ношение сопротивлений контакта в разомкнутом и замкнутом
состояниях, высокая электрическая прочность и др. Поэтому об-
щее количество потребляемых электромагнитных реле из года в
год растет.
Соревнование контактной релейной техники с бесконтактной
дало толчок к совершенствованию традиционных электромаг-
нитных реле и созданию новых контактных приборов, построен-
ных на других технических решениях. В настоящее время появи-
лись реле с более рациональной конструкцией магнитной и кон-
тактной систем. Наряду с новыми типами реле созданы новые
контактные устройства. Это в первую очередь магнитоуправляе-
мые герметизированные контакты.
Идея герметизации контактов подсказана необходимостью
борьбы с их окислением и обеспечения большой надежности
включения исполнительной цепи. Для решения этой задачи кон-
такты помещают в герметизированный стеклянный баллон, кото-
рый заполняют инертным газом или создают в нем вакуум. В та-
ком баллоне контакты не будут окисляться. Устройство гермети-
зированных контактов, или сокращенно герконов, показано на
рисунке 64.
Но как управлять такими контактами? Для возможности уп-
58
1'.ц|ления их замыканием и раз-
мыканием контактные пружины
и иотовляют из магнитомягко-
II, ферромагнитного материала
большой магнитной прони-
цаемостью, обычно из перма-
!|<>я'. Их контактирующие по-
верхности покрывают слоем ме-
। пяла, имеющего высокую элек-
।ропроводность. Если контакт-
Рис. 64. Герметизированные контакты
(герконы) (1 — контактные пружины;
2 — герметизированный корпус)
ные пружины намагнитить таким образом, чтобы их внутренние
мищы представляли собой разноименные Магнитные полюсы, то
контакты вследствие магнитного притяжения замкнутся. Если же
la гем эти пружины перемагнитить так, чтобы их внутренние концы
стали одноименными магнитными полюсами, то вследствие маг-
нитного отталкивания произойдет размыкание контактов. Таким
образом, герметизированные контакты становятся магнитоуправ-
|| немыми.
Для управления герконами используются специальные магнит-
ные системы, в каждой имеются две катушки. Один из возможных
вариантов показан на рисунке 65. При одновременном прохожде-
нии по обеим катушкам электрического тока, полярность кото-
рых указана на рисунке 65, а, возникают два магнитных потока
Ф| и Фг, замыкающиеся через контактные пружины. Следова-
тельно, внутренние концы контактных пружин намагничиваются
разноименно и они притягиваются. Контакты замыкаются.
Сердечники изготовляют из магнитодиэлектрического мате-
риала— феррита. Ферриты — керамические вещества, обладаю-
щие одновременно ферромагнитными и диэлектрическими свой-
ствами2. Поэтому представляется возможность контактные пру-
жины геркона запрессовать в ферритовом магнитопроводе, по-
этому между выводами контактных пружин и магнитопроводом
нет паразитных зазоров. Этим обеспечивается более высокая
чувствительность прибора.
Рассмотренное устройство, состоящее из геркона и магнит-
ной системы с ферритовыми сердечниками, в которые запрессо-
ваны выводы контактных пружин геркона, получило название
феррида.
Из рисунка 65 видно, как замыкаются магнитные потоки,
и поэтому легко понять, какие магнитные полюсы образуются
на внутренних концах контактных пружин.
Ферритовые сердечники, используемые в ферридах, характе-
1 Пермалой — железоникелевый сплав. Его коэффициент магнитной прони-
цаемости в зависимости от соотношения железа и никеля, а также технологии
выплавки может иметь различные значения, доходящие до ц=500 000.
1 Ферриты используются в качестве сердечников магнитных систем управ-
ления герконами. Чаще всего они представляют собой опрессованную под давле-
нием в определенном температурном режиме смесь оксидных порошков железа,
кобальта и нииеля.
59
Рис. 65. Действие магнитной системы с герконом:
а — контакты геркона замыкаются;
б — контакты геркона размыкаются
66
6
риэуются значительным остаточным намагничиванием (магнито-
твердые ферриты). Поэтому после очередного импульса тока,
протекающего по обмоткам управления, сердечники остаются
намагниченными и на внутренних концах контактных пружин
сохраняются соответствующие магнитные полюсы.
Как показано на рисунке 65, а, внутренние концы кон-
тактных пружин представляют собой разноименные магнитные
полюсы и контакты замыкаются.
Чтобы затем эти контакты разомкнулись, необходимо по одной
из обмоток управления пропустить импульс тока обратного на-
правления (рис. 65, б). В результате происходит перемагничива-
ние одного из ферритовых сердечников и внутренние концы кон-
тактных пружин оказываются одноименными магнитными полю-
сами, которые друг от друга отталкиваются.
На рисунке 66 показана система с переключающими контак-
тами. В этом случае геркон имеет три контактные пружины, из
которых 2 и 3 являются ферромагнитными, а пружина 1 изго-
товлена из неферромагнитного материала, например из меди или
бронзы. Кроме того, контактная пружина 3 делается более жест-
кой в сравнении с контактной пружиной 2. Как видно из рисунка,
при срабатывании системы конец контактной пружины 2 притя-
гивается к концу пружины 3 и контактная пара 2—3 замыкается,
в то же время контактная пара 1—2 размыкается.
Для срабатывания таких устройств достаточно пропустить
через обмотки управления импульсы тока продолжительностью
всего в несколько микросекунд. Сам же процесс замыкания или
размыкания контактов, связанный с механическим движением,
может быть более длительным, чем импульс тока.
Ферриды являются запоминающими коммутирующими устрой-
60
Рис. 66. Магнитная система с герконом,
работающим на переключение
ствами. После исчезновения
импульса тока феррид сохра-
ннее приобретенное состояние
до поступления в управляющие
обмотки следующего импульса.
Это свойство ферридов делает
их очень ценными элементами
автоматических устройств.
Запоминающими элемента-
ми в ферридах являются не
контактные пружины, изготав-
ливаемые из магнитомягких
ферромагнетиков, а магнито-
твердые ферритовые сердечни-
ки. Следовательно, феррид,
изображенный на рисунке 65,
имеет два элемента магнитной
памяти — два ферритовых
сердечника.
Герконы, выпускаемые в настоящее время, отличаются высо-
кой износоустойчивостью и малой инерционностью. Они допус-
кают несколько тысяч переключений в секунду и сотни миллио-
нов безотказных срабатываний, выпускаются различных типов
для коммутации не только слабых, но и сильных токов (порядка
сотен ампер). По безотказности и долговечности герконы значи-
тельно превосходят обычные контакты.
Недостатком ферридов является их чувствительность к внеш-
ним магнитным полям.
Сегодня используются десятки разновидностей ферридов, от-
личающихся друг от друга устройством магнитных систем и
способами сочетания магнитных систем с герконами.
? 1. Как устроены герконы? В чем состоят нх преимущества перед обычными
контактами?
2. Как устроен феррид? Как осуществлнется управление герметизирован-
ными контактами в феррндах?
3. В чем состоит особенность герконн с контактной группой, работающей
иа переключение?
$ 19. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ-РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ
В автоматических устройствах часто возникает необходи-
мость в осуществлении последовательного включения (или выклю-
чения) различных цепей. С этой целью используются реле-рас-
пределители, и в частности электромагнитное шаговое реле-
распределитель. Его устройство показано на рисунке 67.
Шаговое реле-распределитель состоит из электромагнита I,
храпового механизма 2, подвижных щеток 3 и контактного поля 4.
61
Рис. 67. Шаговое реле-распределитель
(1 — электромагнит; 2 — храповый
механизм; 3 — щетки; 4 — контактное
поле; 5 — якорная контактная группа;
6 — кулачковая контактная группа)
Электромагнит вместе с хра-
повым механизмом образует
привод подвижных щеток. При
поступлении в катушку электро-
магнита кратковременного им-
пульса тока якорь электромаг-
нита на короткий промежуток
времени притягивается к
сердечнику; при этом с помо-
щью рычажного механизма по-
ворот якоря преобразуется в
небольшое перемещение храпо-
вого механизма, который по-
ворачивает храповое колесо
на угол, соответствующий од-
ному зубцу. Вместе с храповым
колесом на такой же угол по-
ворачиваются щетки.
Как видно из рисунка, на
контактном поле, занимающем
дугу в 180°, всегда находится
какая-нибудь из двух контакт-
ных щеток. При повороте хра-
пового колеса она переходит
с одной ламели на другую —
соседнюю. Если к ламелям при-
соединять различные электрические цепи, то вывод от подвижной
щетки при каждом ее перемещении (при поступлении в катушку
импульса тока) оказывается присоединенным к другой цепи.
Использование такого шагового реле (или шагового искате-
ля) предоставляет много интересных возможностей для разра-
ботки автоматических устройств. Эти возможности в значитель-
ной мере еще расширяются за счет того, что, кроме контак-
тного поля с ламелями и скользящими по ним щетками, в шаговом
реле имеются также две дополнительные контактные группы:
самопрерыватель 5 (якорная контактная группа) и головная
(кулачковая) группа 6 (см. рис. 67).
Якорная контактная группа срабатывает при каждом притя-
жении якоря электромагнита.
Головная (кулачковая) контактная группа срабатывает под
действием специального кулачкового барабана, который повора-
чивается вместе с храповым колесом. Чередование моментов
срабатывания этой контактной группы определяется расположе-
нием кулачков на барабане.
Шаговые реле-распределители рассчитываются на 10...60 сра-
батываний в 1 с, а перемещение щетки с одной ламели на другую
происходит приблизительно за 0,01 с. Эти реле отличаются боль-
шой инерционностью, которая является причиной их низкого
62
быстродействия. Между тем требования к быстродействию в
современной автоматике все более повышаются.
I. Каково назначение реле-раснределнтелей в автоматических устройствах?
2. Как устроено электромагнитное шаговое реле-распределнтель?
3. Какие контактные группы (кроме основного контактного поля) имеются
в этих реле? В чем особенность каждой из этих контактных групп?
$ 20. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ
РЕЛЕ
Магнитоэлектрическими устройствами называются такие, ра-
бота которых основана на действии магнитного поля постоян-
ного магнита на рамку с током. На рисунке 68 схематически по-
казано устройство магнитоэлектрического гальванометра. Изме-
ряемый ток при помощи двух спиральных пружин может быть
пропущен через находящуюся в магнитном поле постоянного
магнита проволочную рамку, имеющую возможность поворачи-
ваться вокруг своей оси. При отсутствии тока рамка удержи-
вается в нейтральном положении спиральными пружинами. Ког-
да же по рамке протекает ток, магнитное поле действует на ее ак-
тивные стороны силами, которые пропорциональны силе тока /.
При этом рамка поворачивается, закручивая пружины 1 и Г
на угол а, тоже пропорциональный силе тока:
a = fe/|,
где коэффициент k зависит от размеров рамки, ее обмоточных
данных и особенностей магнитного поля в межполюсном про-
странстве.
Рис. 68. Магнитоэлектрический гальванометр: а) устройство прибора (/ и 1' —
токоподводящие пружины; 2 — рамка; 3 — ферромагнитный сердечник; 4 —
постоянный магнит), б) силы, действующие на стороны рамки
63
Рис. 69. Магнитоэлектрическое реле (1 — контактная пружина; 2 — подвижный
контакт; 3 и 3' — неподвижные контакты)
Рис. 70. Электродинамическое реле (1 — рамка; 2 —подвижный контакт;
3 — неподвижные контакты)
На рисунке 69 показано устройство магнитоэлектрического
реле. Как видно из рисунка, такое реле отличается от магнито-
электрического измерительного прибора главным образом тем,
что вместо указательной стрелки с подвижной рамкой скреплена
контактная пружина 1, несущая подвижный контакт 2. В зави-
симости от направления тока рамка поворачивается в ту или иную
сторону, и подвижный контакт приходит в соприкосновение с
неподвижным контактом 3 или 3'. При отключении тока рамка,
а вместе с ней подвижный контакт приходят в нейтральное (сред-
нее) положение.
У магнитоэлектрических приборов угол поворота рамки дол-
жен быть большим. Но у реле этой же системы угол поворота
рамки очень мал, так как мало расстояние между неподвижными
контактами. При таких малых углах противодействующее уси-
лие пружин также очень мало. Это одна из причин того, что
ток срабатывания реле этой системы очень мал.
Магнитоэлектрические реле являются среди всех типов элек-
тромеханических реле наиболее чувствительными: мощность сиг-
нала, необходимого для их срабатывания, составляет величину
порядка 10“ 10 Вт. Однако при этом создается очень малое дав-
ление на контактах. Поэтому магнитоэлектрические реле могут
применяться для управления цепями, в которых управляемая
мощность тока составляет всего несколько ватт или доли ватта.
Электродинамическое реле отличается от магнитоэлектричес-
кого лишь тем, что вместо постоянного магнита используется
электромагнит (рис. 70). Подаваемый в катушку электромагнита
ток называется током возбуждения.
64
Электродинамические реле рассчитываются на больший (по
сравнению с магнитоэлектрическими реле) ток срабатывания,
большее давление на контактах и, следовательно, большую
управляемую мощность тока (до 50 Вт и более).
> 1. Как устроено магнитоэлектрическое реле и на каком физическом явлении
основано его действие?
2. Какова по порядку величины мощность срабатывании магнитоэлектри-
ческого реле? Сравните по этому параметру магнитоэлектрическое реле с реле
других типов.
3. В чем отличие электродинамического реле от магнитоэлектрического?
§ 21. ПУЛЬС-ПАРНАЯ СХЕМА
В автоматике часто необходимо, чтобы тот или иной узел
периодически включался и выключался через определенные рав-
ные промежутки времени. Это может достигаться применением
специального устройства, носящего название пульс-пары. В прос-
тейшем случае оно состоит из двух реле, соединенных по схеме,
представленной на рисунке 71.
По этой схеме обмотки обоих реле подключаются к источни-
ку питания параллельно. Последовательно с обмоткой реле К1
включаются контакты S2 реле К2, а последовательно с обмоткой
реле К2 включаются контакты S1 реле Ki. Для работы устрой-
ства важно, чтобы контактная пара одного реле была нормаль-
но разомкнутой, а контактная пара второго реле — нормально
замкнутой. Действие пульс-пары происходит следующим образом.
После подключения устройства к источнику питания срабаты-
вает реле К1 (контакты S2 замкнуты), что приводит к замыканию
контактной пары S1. Затем срабатывает реле К2, контактная
пара S2 размыкается, а реле К1 отпускает. При этом контакты
S1 размыкаются, реле К2 отпускает, и замыкаются контакты S2.
Этим завершен один цикл процессов, после чего система оказы-
К управляемому
устройству!
устройству 2
> Общий 72
Рис. 71. Пульс-парная схем’а
Рис. 72. Использование пульс-парной схемы для управления электрическими
устройствами
3. Зак. 1990 3. М. Резинкой
65
вается в исходном состоянии. Далее работа пульс-пары цикли-
чески повторяется.
Каждый цикл работы пульс-пары состоит из четырех шагов,
представленных в таблице 21.1.
Таблица 21.1
Изменение состояния реле Изменение состояния контактов
Срабатывает реле KJ Срабатывает' реле К.2 Отпускает реле К! Отпускает реле Ю ' Замыкаются контакты SJ Размыкаются контакты S2 Размыкаются контакты S1 Замыкаются контакты S2
Из таблицы видно, что за один цикл работы пульс-пары сна-
чала оба реле срабатывают последовательно, а затем они в той
же последовательности отпускают. Общая продолжительность
одного цикла — период пульс-пары — определяется временем сра-
батывания и временем отпускания входящих в него реле. Поль-
зуясь рассмотренными в -§ 15 способами изменения времени сра-
батывания и отпускания реле, можно настроить пульс-пару на
нужный период.
Вместе с тем вы уже знаете, что у одного реле может быть
несколько контактных групп. Так как в работе пульс-пары заня-
то по одной контактной паре от каждого из составляющих ее реле,
то остальные контактные группы этих реле могут быть использо-
ваны для периодического включения на определенный период
различных устройств.
На схеме, приведенной на рисунке 72, показано использова-
ние не занятых в пульс-паре контактных групп реле для перио-
дического включения и выключения тех или иных управляемых
устройств. Через нормально замкнутую контактную пару S1' реле
К1 напряжение питания подается на управляемое устройство
/, а через нормально разомкнутую контактную пару S2' реле
Рнс. 73. Использование пульс-парной
схемы для обеспечения самохода
шагового реле-распределнтеля
К.2 — на управляемое устрой-
ство 2. Пульс-пара в этом слу-
чае обеспечивает подачу им-
пульсов напряжения, периоди-
чески следующих друг за дру-
гом.
Например, от пульс-пары
может осуществляться цикли-
ческое действие шагового реле-
распределителя. При этом сам
электромагнит такого реле и его
якорная контактная группа мо-
гут входить в пульс-пару. Так
что для обеспечения самохода
66
шагового реле-распределителя с помощью пульс-пары необходи-
мо лишь одно добавочное реле.
На рисунке 73 приведена схема устройства, в котором само-
ход шагового искателя обеспечивается пульс-парой, собранной
на якорной контактной группе S шагового распределителя ШР
и дополнительного электромагнитного реле К.1 (его контактная
группа обозначена через S/). После включения питания с по-
мощью ключа S2, начинает работать пульс-пара и одновременно
перемещаются щетки по контактному полю КПШР. За один
период пульс-пары щетки перемещаются на один шаг (на одну
ламель контактного поля). После поворота одной щетки на
180° завершается цикл переключений, совершаемых шаговым рас-
пределителем; на контактное поле вступает вторая щетка, и на-
чинается второй цикл и т. д.
Р 1. Начертите схему и опишите поэтапно действие пульс-пары.
2. Каково назначение пульс-пары в автоматических устройствах?
3. Как ’ осуществляется совместная работа пульс-пары с электромагнитным
шаговым распределителем? Начертите схему соединений.
$ 22. СХЕМЫ БЛОКИРОВКИ. КОНЦЕВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Для выяснения понятия блокировка рассмотрим сначала
пример. Пусть приводом исполнительного органа автоматическо-
го устройства служит электрический двигатель М (рис. 74, а),
пуск которого должен осуществляться кратковременным электри-
ческим импульсом. В таких случаях для пуска двигателя исполь-
зуется реле. Как видно из схемы, запускающий импульс посту-
пает в катушку реле К1, которое при этом срабатывает. Его нор-
мально разомкнутые контакты S1, включенные в цепь двигателя
Рнс. 74. Использование принципа блокировки при управлении электрическим
двигателем с помощью кратковременного импульса
3*
67
последовательно, замыкаются, и двигатель включается в сеть
питания.
Однако, как только запускающий импульс исчезает, реле К1
отпускает, контакты S1 размыкаются и двигатель выключается.
Между тем это.т двигатель не должен быстро выключаться,
так как исполнительный орган должен отработать определенную
программу, для чего необходим вполне определенный (иногда
достаточно большой) промежуток времени.
Чтобы решить эту задачу, используется второе реле К2,
обмотка которого включается в сеть параллельно с двигателем
(рис. 74, б), а его нормально разомкнутые контакты S2— па-
раллельно контактам S1.
После того как от запускающего импульса сработает реле
К1 и контакты S1 замкнутся, одновременно с пуском двигателя
произойдет срабатывание реле К2 и замыкание его контактов
S2. По окончании запускающего импульса реле К1 отпустит и
его контакты S1 разомкнутся, двигатель не выключится. Это
происходит потому, что ток из сети обходит разомкнувшиеся
контакты S1 через замкнутые контакты S2. При этом не только
двигатель продолжает работать, но и реле К2 остается подклю-
ченным и, следовательно, его контакты S2 остаются замкнуты-
ми. Таким образом с помощью реле К2 осуществляется блоки-
ровка' контактов S1 реле К1, и двигатель остается включенным
и после окончания запускающего импульса.
Однако привод исполнительного органа должен остановиться
сразу же после выполнения последним определенной программы
действий. Для выключения двигателя часто применяется так
называемый концевой выключатель, который представляет собой
электрическую кнопку с нормально разомкнутыми либо нормаль-
но замкнутыми контактами. Контактная пара удерживается в
исходном состоянии с помощью пружины. В противоположное
состояние контактная пара переходит при нажатии на толкатель,
скрепленный с подвижным контактом. Такое нажатие осущест-
вляется обычно при завершении заданной программы.
На схеме, приведенной на рисунке 74, в, контакты концевого
выключателя обозначены через S. Они являются нормально зам-
кнутыми и включаются в цепь питания последовательно. После
отработки исполнительным органом заданной программы дей-
ствии эти контакты размыкаются механическим способом, ре-
зультатом чего является отключение питания не только двигате-
ля, но и блокирующего реле К2. Это реле отпускает, и кон-
такты S2 приходят в исходное, разомкнутое состояние.
Нельзя считать, что вся система при этом уже приходит
в исходное состояние, так как контакты S концевого выключате-
ля остаются разомкнутыми и новый пусковой импульс не сможет
запустить электродвигатель привода исполнительного органа.
Необходимо обеспечить, чтобы после срабатывания концевого вы-
ключателя система не была отключена от сети контактами S.
68
Решить эту задачу можно, заблокировав контакты S нормаль-
но замкнутой контактной парой реле К2. На рисунке 74, г эта
контактная пара обозначена S2'. Она включена параллельно
контактам S концевого выключателя. Пока двигатель работает,
контакты S остаются замкнутыми, а контакты S2' разомкнуты
(реле К2 находится в сработанном состоянии). В конце отработки
цикла действий исполнительным органом размыкаются контак-
ты S. Двигатель и обмотка реле К2 обесточиваются. После этого
контакты S2' замыкаются, система готова к запуску с помощью
следующего импульса.
Как только этот импульс поступит в обмотку реле К/, двига-
тель запускается и контакты S замыкаются. Одновременно сра-
батывает блокирующее реле К2, в результате чего контакты S2'
размыкаются и система снова оказывается готовой к остановке
путем размыкания контактов концевого выключателя.
В рассмотренном примере имеются две блокировки: контакты
блокировочного реле К2 блокируют, во-первых, контакты пуско-
вого реле S1 и, во-вторых, контакты S концевого выключателя.
Для успешной работы рассмотренной системы пуска и оста-
новки электродвигателя еще должны выполняться определенные
дополнительные условия.
Во-первых, сумма времен срабатывания реле К1 и К2 должна
быть меньше продолжительности т пускового импульса:
^ср. I Н- ^ср. Т.
Это условие вытекает из следующих соображений: за время
прохождения по обмотке реле 7(7 пускового импульса тока долж-
но произойти срабатывание не только реле Л7, но и блокиро-
вочного реле К2. В противном случае контакты SJ по окончании
пускового импульса разомкнулись бы, не успев заблокироваться
контактами S2, и пуск двигателя не произошел бы. Для возмож-
ности пуска двигателя с помощью коротких импульсов тока необ-
ходимо в рассмотренной схеме применять реле с малым време-
нем срабатывания (быстродействующие реле).
Во-вторых, должна соблюдаться определенная последова-
тельность срабатывания контактных пар S2 и S2' при отпуска-
нии реле К2: сначала должна разомкнуться контактная пара
S2 и лишь после этого замкнуться контактная пара S2'. В про-
тивном случае произойдет вторичное срабатывание реле К2 и
вторичный пуск двигателя.
Необходимая последовательность срабатывания двух контакт-
ных групп одного и того же реле при отпускании обеспечивается
конструкцией этих групп.
На рисунке 75 показаны две контактные группы, срабатываю-
щие при отпускании не одновременно, а последовательно одна
за другой с определенным интервалом времени.
Вместо одного реле такой конструкции можно применять
два блокировочных реле, например К2 и КЗ, обычной конструк-
69
Рис. 75. Контактные группы, срабатывающие при отпускании неодновременно
Рис. 76. Вариант схемы управления электрическим двигателем
ции (рис. 76), но характеризующиеся различным временем сра-
батывания контактных групп при отпускании: /от. 2<4т з-
Из сказанного видно, что при создании автоматических ре-
лейно-контактных устройств важно не только разработать элек-
трическую схему этих устройств, но и определить, каким условиям
должны удовлетворять параметры используемых реле, как пара-
метры разных реле должны соотноситься между собой.
В этом параграфе вы познакомились с некоторыми особен-
ностями построения релейно-контактных схем автоматики. Сле-
дует иметь в виду, что в различных релейно-контактных устрой-
ствах имеются свои особенности. В каждом случае необходимо
тщательно анализировать схему и действие установки с целью
выявления необходимых требований к используемым релейным
элементам, к их параметрам и соотношениям между ними.
? 1. Каково назначение концевых выключателей в автоматических устройствах?
2. Каково назначение блокировочных контактов в релейно-контактных
устройствах?
3. Опишите действие релейно-контактной системы, приведенной на рисун-
ке 76.
§ 23. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ
Исполнительные органы в автоматических устройствах пред-
назначаются обычно для управления носителями энергии (пнев-
матическими, гидравлическими, механическими и электрически-
ми) , воздействующими на объект автоматического управления
или регулирования. Они могут осуществлять сцепление или рас-
цепление валов, закрывание или открывание вентилей и т. д.
Широкое применение в автоматике получили электромехани-
ческие исполнительные органы. Для них характерно преобразо-
вание электрической энергии в механическую. Одной из их раз-
новидностей являются электромагнитные исполнительные органы,
которые основаны на использовании электромагнитов.
70
На рисунке 77 схематически представлено устройство электро-
магнитной муфты, которая должна осуществлять сцепление или
расцепление вала, применяемого, например, для передачи энер-
гии от двигателя к инструментам, осуществляющим обработку
образца. В основе этого устройства лежит применение электро-
магнита с притяжным якорем.
На ведущей стороне 1 разъемного вала имеется электромаг-
нит, состоящий из магнитопровода 2 и катушки 3. Электрический
ток подводится к вращающейся катушке через кольца 4 и щетки 5.
На ведомой стороне 6 вала находится якорь 7, который может
легко смещаться вдоль вала, но не может поворачиваться вокруг
него из-за имеющейся шпонки 8. Пружина 9 смещает якорь вдоль
вала на некоторое расстояние от электромагнита, поэтому веду-
щая часть вала свободно прокручивается относительно неподвиж-
ной ведомой части. Когда же по обмотке электромагнита про-
пускают ток, якорь притягивается и благодаря трению между ним
и фрикционной шайбой 10 свободное прокручивание становится
невозможным — происходит сцепление.
На рисунке 78 схематически показано устройство электро-
магнитного вентиля, предназначенного для открывания или пере-
крытия трубопровода, по которому течет жидкость или газ. Его
действие основано на использовании электромагнита с втяжным
якорем. Такой вентиль состоит из катушки 1, втяжного якоря 2
с прикрепленным к нему запирающим клапаном 3, который при
помощи пружины 4 прижимается к седловине жиклера 5. При
включении тока в цепи катушки якорь втягивается в катушку
и клапан, сжимая пружину, открывает жиклер для прохождения
жидкости или газа.
Рис. 77. Электромагнитнаи муфта (1— ведущая сторона разъемного вала;
2 — магнитопровод электромагнита; 3 — катушка электромагнита; 4 —
токоподводящие кольца; 5 — щетки; 6 — ведомая сторона вала; 7 — якорь;
8 — шпонка; 9 — пружина; 10 — фрикционная шайба)
71
Рис. 78. Электромагнитный вентиль
(1 — катушка электромагнита;
2—втяжной якорь; 3— запирающий
клапан; 4—пружина; 5 — седловина
жиклера)
В приведенных двух приме-
рах якорь электромагнита со-
вершает поступательное дви-
жение. Также находят приме-
нение электромагнитные испол-
нительные органы, в которых
якорь совершает поворот во-
круг своей оси. Схематично
такое устройство изображено
на рисунке 79, а. Оно состоит
из катушки 1, магнитопрово-
да 2 и якоря 3.
Из § 12 известно, что пере-
мещение якоря электромагнита
всегда подчинено общему прин-
ципу, согласно которому в ре-
зультате возможного движе-
ния якоря магнитный поток
электромагнита должен стать
максимальным. Это достигает-
ся при минимальной величине
воздушного зазора магнито-
провода. Если в исходном по-
ложении якоря воздушный за-
зор наибольший, то в соответ-
ствии с общим принципом якорь после включения тока
в цепи катушки электромагнита повернется, приближаясь к по-
ложению, показанному на рисунке 79, б. При этом действующая
на якорь со стороны магнитного поля сила будет преодолевать
силу упругости спиральной пружины 4.
Рис. 79. Электромагнитный исполнительный орган с поворотным якорем
(/ — катушка электромагнита; 2—магнитопровод; 3 — якорь; 4— возвратная
пружина)
72
В связи с этим угол поворота якоря будет зависеть от силы
тока в катушке электромагнита. Поэтому такое устройство отли-
чается от ранее рассмотренных еще и тем, что в нем якорь со-
вершает механическое перемещение не между двумя крайними
положениями, а на больший или меньший угол в зависимости
от силы тока в катушке.
Такой характер действия исполнительного органа в регу-
ляторе необходим в тех случаях, когда воздействие на объект
регулирования должно быть сильным или слабым в зависи-
мости от ошибки регулирования. Например, в термостате из-
менение силы тока в нагревательном элементе или степень
открывания вентиля радиатора должны зависеть от того, на-
сколько в данный момент температура в термостате отличает-
ся от заданной. Именно такое плавное управление притоком
энергии может быть обеспечено с помощью электромагнита с по-
воротным якорем.
Все три рассмотренных вида электромагнитных исполнитель-
ных органов относятся к классу нейтральных. Это значит, что
направление перемещения якоря в них не зависит от направле-
ния тока в катушке электромагнита. Между тем в автоматических
устройствах бывают необходимы исполнительные органы, кото-
рые реагируют на направление тока. Такими являются поляри-
зованные электромагниты.
Вы уже ознакомились с поляризованным электромагнитным
реле в § 17, где контакты работают на переключение. При сраба-
тывании реле происходит включение какой-либо цепи в зависи-
мости от направления тока в катушке электромагнита. Эффект
магнитной поляризации в таком реле достигается применением
в его магнитопроводе постоянного магнита. Эта же идея исполь-
зуется и в поляризованном электромагнитном исполнительном
органе.
Устройство одного из типов поляризованного электромагнит-
ного исполнительного органа приведено на рисунке 80.
Он состоит из катушки 1, надетой на магнитопровод 2, и на-
магниченного цилиндрического якоря 3, который в отсутствие
тока в катушке удерживается спиральной пружиной 4 в по-
ложении, при котором магнитная ось якоря (линия, проходя-
щая через его полюсы) перпендикулярна оси полюсов 5 элект-
ромагнита.
При прохождении тока по катушке якорь поворачивается от
исходного положения в ту или иную сторону в зависимости от
направления тока.
Направление поворота якоря легко определить, исходя из
принципа максимальности общего магнитного потока: якорь дол-
жен поворачиваться в таком направлении, чтобы его собствен-
ный магнитный поток усиливал магнитный поток, созданный
катушкой с током.
Угол поворота якоря, как и в предыдущем случае (см. рис. 79),
73
Рис. 80. Поляризованный электромагнитный исполнительный орган (1 — катушка
электромагнита; 2 — магннтопровод; 3— намагниченный якорь; 4 — пружина;
5 — полюсы электромагнита)
Рис. 81. Устройство электродвигателя постоянного тока (1 — корпус; 2—
полюсные сердечники; 3 — полюсные наконечники; 4 — обмотки возбуждения;
5 — ротор)
определяется силой тока в катушке. Это значит, что и здесь мы
имеем дело с исполнительным органом плавного изменения пе-
ремещения.
? 1. В чем состоит общее назначение исполнительных органов в автомати-
ческих устройствах?
2. В чем особенность электромагнитных исполнительных органов?
3. Как устроена и как действует электромагнитная муфта?
4. Как устроен и как действует электромагнитный вентиль?
§ 24. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ
Из курса физики VIII класса вам известен принцип действия
электрического двигателя. В основе его лежит действие маг-
нитного поля электромагнита на проволочную рамку с током.
Поворот рамки под действием магнитного поля совершается
до тех пор, пока ее плоскость не станет перпендикулярной
линиям магнитной индукции и силы, с которыми магнитное поле
действует на стороны рамки, прекратят ее поворачивать. (Это
происходит из-за того, что при таком положении рамки эти силы
направлены по одной прямой в противоположные стороны.)
Небольшой поворот рамки, достаточный в случае измерительных
приборов и реле, неприемлем в случае двигателя. Ротор двига
теля должен совершать непрерывное вращение.
Для получения непрерывного вращения в электрическом
двигателе применяется не одна, а множество рамок, располо-
74
женных на поверхности цилиндрического стального якоря в спе-
циальных пазах, равноотстоящих друг от друга. Рамки соеди-
няются между собой по особым схемам. Электрический ток под-
водится к ним через щетки, скользящие по ламелям коллекто-
ра. Ток распределяется по рамкам таким образом, что действую-
щие на них со стороны магнитного поля силы вызывают враще-
ние ротора в одну сторону, причем их суммарное вращающее
действие практически постоянно.
Устройство электродвигателя рассматриваемого типа' пока-
зано на рисунке 81. Его неподвижный остов — статор одновре-
менно является электромагнитом. Магнитопровод образуется
стальным корпусом 1, полюсными сердечниками 2 и полюсными
наконечниками 3. На полюсные сердечники надеты катушки 4,
по которым пропускают электрический ток. Создаваемое катуш-
ками магнитное поле замыкается через элементы магнитопро-
вода и межполюсное пространство, в котором помещается ро-
тор 5.
Обмотки магнитных полюсов статора называются обмотками
возбуждения, а протекающий по ним ток — током возбуждения.
В зависимости от способа включения обмотки возбуждения раз-
личают двигатели с последовательным, возбуждением (рис. 82)
и двигатели с независимым возбуждением (рис. 83).
Как видно, у двигателей с последовательным возбуждением
по обмотке возбуждения протекает большой ток (такой же, как
и по якорной обмотке). Поэтому у таких двигателей обмотка
возбуждения имеет мало витков из провода большого попереч-
ного сечения.
В автоматических устройствах часто необходимо менять на-
правление вращения ротора двигателя, или, как говорят, реверси-
ровать двигатель.
Для удобства реверсирования двигателя с последовательным
возбуждением в нем обычно делаются две обмотки возбуждения
(рис. 84). В зависимости от того, какая из них используется, в
двигателе создается магнитное поле то одного, то противополож-
ного направления. От направления магнитного поля статора при
данном направлении тока в якоре зависит направление враще-
ния ротора. Итак, изменение направления вращения ротора
(реверсирование) двигателя с последовательным возбуждением,
как видно из рисунка 84, достигается переключением обмотки
возбуждения.
Двигатели с последовательным возбуждением отличаются тем,
что усилие, развиваемое ротором, имеет наибольшее значение в
момент трогания. Это свойство важно в тех случаях, когда двига-
1 Здесь речь идет о коллекторных двигателях постоянного тока. В автома-
тике применяются также различные типы двигателей переменного тока, с ко-
торыми вы будете знакомиться на факультативных занятиях по прикладной
физике в XI классе.
75
Рис. 82. Принципиальная схема электродвигателя постоянного тока
с последовательным возбуждением
Рис. 83. Принципиальная схема электродвигателя постоянного тока с независимым
возбуждением
тель должен преодолевать в начале движения большие силы со-
противления (силу сухого трения покоя, сопротивление загустев-
шей смазки и др.).
У двигателей с независимым возбуждением обмотка обычно
имеет большое число витков из тонкого провода. Силу тока в
обмотке возбуждения можно в определенных пределах регулиро-
вать с помощью реостата R, включенного последовательно в ее
цепь (рис. 85). Чем больше сила тока в обмотке возбуждения,
тем меньше частота вращения ротора (при данном напряжении
питания). Наоборот, при уменьшении тока возбуждения частота
вращения ротора возрастает. Простота регулирования частоты
вращения ротора является ценным свойством двигателей с неза-
висимым возбуждением. Реверсирование двигателей этого типа
обычно осуществляется изменением направления тока в якоре
(рис. 86).
В отличие от двигателей с последовательным возбуждением
Рис. 84. Схема реверсирования двигателя постоянного тока с двумя обмотками
возбуждения, включенными последовательно с якорем
Рис. 85. Схема регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного
тока с независимым возбуждением
76
Рис. 86. Схема реверсирования электродвигателя постоянного тока с независимым
возбуждением
Рис. 87. К задаче 4.1
у двигателей с независимым возбуждением пусковой вращаю-
щий момент значительно меньше.
Наконец, еще надо отметить, что при изменении механической
нагрузки на вал меняется частота его вращения: с ростом на-
грузки частота вращения уменьшается. Однако это уменьшение
у двигателя с последовательным возбуждением меньше, чем у
двигателя с независимым возбуждением.
Таким образом, в тех случаях, когда при колеблющейся ме-
ханической нагрузке на вал важно, чтобы скорость вращения
вала была постоянной,— более пригодным оказывается двига-
тель с последовательным возбуждением.
В тех же случаях, когда механическая нагрузка на вал по-
стоянная, но необходимо иметь возможность регулировать в ка-
ких-то пределах частоту вращения, целесообразно применять
двигатель с независимым возбуждением.
? 1. В чем особенность электромашииных исполнительных органов?
2. Каково устройство и принцип действия двигателя постоянного тока?
3. В чем состоят особенности двигателей постоянного тока с последова-
тельным возбуждением? Как осуществляется их реверсирование?
4. Как осуществляется реверспрованне двигателя постоянного тока с неза-
висимым возбуждением?
5. Как осуществляется изменение частоты вращения двигателя постоянного
тока с иезавнспмым возбуждением?
6. Почему реостат регулирования тока возбуждения у двигателей с незави-
симым возбуждением включается яо безобрывиой схеме? В чем сущность такой
схемы включения реостата?
Задачи
4.1. На рисунке 87 показаны схемы двух устройств, в которых применены
электромагнитные реле К- Объясните, как они действуют. Чем отличаются друг
от друга эти устройства?
77
Рис. 88. К задаче 4.2
Рис. 89. К задаче 4.3 Рис. 90. К задаче 4.6
4.2. Объясните, как работает устройство, электрическая схема которого при-
ведена на рисунке 88. Что происходит при нажатии кнопки S и ее последующем
отпускании?
4.3. Объясните, как работает устройство, электрическая схема которого
приведена на рисунке 89. Что происходит в цепях после нажатия кнопки S.
В чем особенность этой схемы по .сравнению со схемой, рассмотренной в преды-
дущей задаче?
4.4. Начертите возможную схему реверсирования сериесного электрического
двигателя постоянного тока при помощи однополюсного переключателя.
4.5. Разработайте схему реверсировании электрического двигателя постоян-
ного тока с независимым возбуждением прн помощи однополюсного выключа-
теля и электромагнитного реле.
4.6. На рисунке 90 показаны элементы электрического устройства. Начер-
тите схему их соединения, которая обеспечивала бы загорание лампы Н1 при
замыкании электрической кнопки S и загорание лампы Н2 при размыкании
кнопки. Соберите устройство и испытайте его. Предложите возможные варианты
схемы.
4.7. На рисунке 91 схематически показано устройство электромагнитного
предохранителя. Обмените его действие.
4.8. На рисунке 92 схематически показано устройство быстродействующего
электромагнитного реле с поворотным якорем (1 — магиитопровод, 2 — обмотка,
3 — якорь, 4 — пружина, 5 — подвижный контакт, 6 — неподвижные контакты,
7 — поводок, 8 — шкала значений тока срабатывания). Объясните действие та-
кого реле. В какую сторону нужно повернуть поводок по шкале, чтобы ток
срабатывания стал больше; меньше?
4.9. Проанализируйте, как будет действовать устройство, схема которого
приведена на рисунке 93, после замыкания ключа S.
4.10. Как изменится работа устройства, рассмотренного в предыдущей зада-
че, если параллельно обмотке реле включить конденсатор?
4.11. На рисунке 94 изображена пульс-парная схема, составленная из двух
электромагнитных реле. Начертите примерные сопоставительные (один под дру-
гим) графики изменения силы тока во времени в катушках обоих реле и в цепи
электрической лампочки.
4.12. На рисунке 95 изображена схема устройства, в котором электромаг-
нитное реле К1 срабатывает и включает лампочку И спустя некоторый проме-
78
жуток времени после того, как будет
замкнут ключ S. Объясните, как это
происходит.
4.13. Разработайте автоматическое
устройство для открывания форточки
в комнате ирн иовышении темпера-
тура выше иривычной для вас.
4.14. Предложите схему автомати-
ческого устройства, которое смогло бы
включать настольный вентилятор, ког-
да температура в комнате превысит
некоторое значение.
4.15. Электрическое сопротивление
почвы зависит от ее влажности: чем
выше влажность иочвы, тем меньше
ее удельное сопротивление. Исполь-
зуя это свойство почвы, испытайтесь
разработать устройство для автомати-
ческого включения дождевальной уста-
новки при снижении влажности почвы
до минимально допустимой нормы. Начертите электрическую схему этой установки.
4.16. Электрический дввгатель, имеющий механическую нагрузку на валу, мо-
жет выйти из строя вследствие перегрева его обмоток при чрезмерном яоннжеияи
напряжения питания. Это, в частности, относится и к двигателям домашних хо-
лодильников, валы которых всегда нагружены компрессорами. Разработайте
устройство для автоматического выключения холодильника ири падении напри-
5 Ш-------/
Рис. 91. Устройство электромагнитного
предохранителя (1 — электромагнит;
2 — якорь-защелка; 3 — контактная
пара; 4 — рычаг; 5 — пружина)
Рис. 92. К задаче 4.8
79
Рис. 94. К задаче 4.11
жеиня в сети ниже определенного уровня. Начертите электрическую схему уста-
новки.
4.17. Объясните, как работает схема, изображенная иа рисунке 96. Реле,
используемое в технике подобным образом, называется магнитным пускателем.
Предложите необходимое дополнение к схеме, позволяющее отключать систему
от сети.
Рис. 97. К задаче 4.20
4.18. В производственных условиях
часто необходимо управлять электро-
приводом с различных мест. Разра-
ботайте схему включения влектродви-
гателя с помощью магнитного пуска-
теля с двух мест.
4.19. В вашем распоряжении име-
ются: электромагнитное реле с пере-
ключающейся контактной группой, две
низковольтные ламиы, выключатель и
источники питания. Предложите схему
устройства, в которой при разомкну-
том выключателе горела бы одна лам-
почка, а при его замыкании первая
выключалась бы, а вторая включалась.
4.20. На рисуиие 97 схематически
изображено поляризоааииое влектро-
80
Рис. 101. К задаче 4.24
магнитное реле и электрическая цеиь обмотки управления /. С каким неподвижным
контактом произойдет соединение подвижного контакта 2 при замыкании ключа?
4.21. На рисунке 98 схематически показаны рамка 1 магнитоэлектрического
реле, расположенная в поле иостояиного магнита S — N, подвижный контакт 2
и неподвижные контакты 3 и 3'. По рамке течет ток. В стороне рамки, отмеченной
знаком (+)> ток течет <от нас», а в стороне рамки, отмеченной знаком (— ), ток
направлен <к нам». С каким неподвижным контактом (3 или 3') произойдет соеди-
нение подвижного контакта 2?
4.22. Какие изменения в схеме на рисунке 99 следует произвести, чтобы
собранная по схеме установка работала как пульс-париое устройство?
4.23. На рисунке 100 показана неполная схема реверсирования электродви-
гателя постоянного тока. Дополните ее таким образом, чтобы реверсирование
можно было бы производить путем измепеиип направления тока в обмотке якоря.
4.24. На рисунке 101 дана упрощенная схема двигателя. Направление тока
в проводниках якорной обмотки условно показано знаками (-j~) и ( )• Опреде-
лите направление вращения якоря.
81
Практические работы
Работа 6. Определение основных параметров
нейтрального электромагнитного реле
постоянного тока
Приборы и материалы: источник питания, ключ для замыка-
ния цепи, авометр, электронный или электромеханический секун-
домер, реле [17 или 15], реостат ползунковый (70 Ом; 2...3 А),
динамометр лабораторный, миллиамперметр, аккумулятор, низко-
вольтная электрическая лампа на подставке, соединительные
провода.
Ход работы
1. Соберите цепь для измерения электрических параметров
реле (источник тока, реле, миллиамперметр, ключ включите по-
следовательно; параллельно обмотке реле включите вольтметр;
в исполнительную цепь реле введите лампочку и источник тока).
2. Плавно изменяя напряжение, измерьте напряжения сраба-
тывания и отпускания, силу тока срабатывания и отпускания,
время срабатывания и отпускания, мощность тока, которая необ-
ходима для срабатывания.
3. Измерьте механические параметры реле:
а) ход якоря,
б) силу давления контактов в замкнутом положении и силу
натяжения возвратной пружины.
4. Предложите способы изменения механических параметров
реле.
5. Меняя механические параметры реле, проследите за изме-
нением его электрических параметров.
Работа 7. Изучение способов изменения времени
срабатывания и отпускания реле
Приборы и материалы: реле [2], батарея конденсаторов БК-58,
набор резисторов [9, 10, 11], полупроводниковый диод [16], соеди-
нительные провода, источник питания для практикума, низко-
вольтная электрическая лампа на подставке, секундомер элек-
тронный или электромеханический, авометр, ключ.
Ход работы
1. Измерьте время срабатывания и время отпускания реле,
а также сопротивление его обмотки.
2. Повторите измерения времени срабатывания и времени
отпускания, применив схемные способы замедления трогания реле.
Результаты измерений занесите в таблицу.
3. Предложите простейшую схему реле времени, построенную
на использовании электрических способов изменения длитель-
ности отпускания реле.
82
Работа 8. Изучение поляризованного реле
Приборы и материалы: поляризованное трехпозиционное реле
11 ], соединительные провода, микроамперметр, две низковольтные
электрические лампы на подставке, лабораторный источник пи-
тания, реостат, ключ.
Ход работы
1. Изучите устройство поляризованного электромагнитного
реле.
2. Соберите установку для переключения источника питания
из одной цепи в другую. Проведите наблюдение за действием
установки.
3. Включите в цепь обмотки реле реостат и микроамперметр.
Определите ток срабатывания и ток отпускания полйризованно-
го реле.
4. Перестройте трехпозиционное реле в двухпозиционное и
пронаблюдайте за его действием.
Работа 9. Сборка и испытание пульс-пары
Приборы и материалы: два электромагнитных реле [1, 2],
соединительные провода, батарея конденсаторов БК-58, набор
резисторов [9, 10, 11], источник питания для практикума, акку-
мулятор, низковольтная электрическая лампа на подставке, элек-
тронный или электромеханический секундомер, авометр, ключ.
Ход работы
1. Соберите пульс-парное устройство из одного электромаг-
нитного реле, батареи конденсаторов и резистора.
2. Через свободную контактную пару реле пульс-пары вклю-
чите цепь, состоящую из электрической лампы и аккумулятора.
3. Проведите наблюдение за работой пульс-пары и измерьте
ее период.
4. Применив схемные способы замедления трогания реле, изме-
ните период пульс-пары. Определите на основе расчетов новое
значение периода.
5. Соберите пульс-парное устройство, из двух электромагнит-
ных реле. Испытайте его в работе. Сравните с работой устрой-
ства к заданию 1.
Работа 10. Сборка и испытание автоматического
устройства для переключения цепей
с применением шагового распределителя
Приборы и материалы: шаговый распределитель [3|, электро-
магнитные реле [1, 2, 17], соединительные провода, источники
питания, электрические низковольтные лампы, набор резисторов
|9, 10, 11], батарея конденсаторов БК-58, электронный или элект-
ромеханический секундомер, авометр, ключ.
83
Ход работы
1. Продумайте схему включения шагового распределителя
для измерения основных параметров его работы. Соберите цепь
и измерьте сопротивление обмотки распределителя, напряжение
срабатывания и отпускания, силу тока срабатывания и отпуска-
ния.
2. Соберите пульс-пару и через нормально разомкнутые кон-
такты реле включите питание обмотки шагового распределителя.
Включите установку и проведите наблюдение за ее работой в ре-
жиме самохода.
3. Включите через ламели контактного поля и подвижные
щетки низковольтные электрические лампы, используя в качестве
источника тока I аккумулятор. Проверьте установку в работе.
4. Измерьте время, которое занимает перемещение щетки на
один шаг. Измените это время, применив в пульс-паре схемные
способы замедления трогания реле.
Работа 11. Изучение коллекторных электрических
двигателей
Приборы и материалы: электрический двигатель постоянного
тока с последовательным возбуждением, двигатель постоянного
тока с независимым возбуждением (если этих двигателей нет,
можно воспользоваться машиной постоянного тока), двухполюс-
ный трехпозиционный переключатель, выпрямитель ВС-24М,
тахометр, авометр, амперметр, реостат, соединительные провода.
Ход работы
1. Проведите измерение параметров двигателя: сопротивления
якорной обмотки и обмотки возбуждения, рабочего напряжения
и тока при включении без механической нагрузки.
2. Включите двигатель с последовательным возбуждением по
схеме реверсирования. Осуществите реверсирование двигателя,
измерьте рабочее напряжение и ток.
3. Включите двигатель с независимым возбуждением по схеме
реверсирования и осуществите его, измерьте рабочее напряжение
и ток.
4. Включите двигатель с независимым возбуждением по схе-
ме регулирования скорости вращения путем изменения тока
возбуждения. Снимите регулировочную характеристику двигателя
(зависимость частоты вращения от тока возбуждения). Постройте
график этой зависимости.
ГЛАВА 5
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ
И ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
§ 25. НАГРЕВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕЛЕ
Количество теплоты Q, выделяющейся в металлическом про-
воднике, полупроводнике, растворе электролита при прохожде-
нии электрического тока, определяется законом Джоуля — Ленца:
Q = I2Rt,
где / — сила тока, R — электрическое сопротивление, I — время
прохождения тока.
Выделение некоторого количества теплоты в проводнике при-
водит к повышению его температуры, которая становится выше
температуры окружающей среды. В результате этого проводник
отдает окружающей среде некоторое количество теплоты Q|. По
мере повышения-температуры проводника увеличивается и коли-
чество теплоты, отдаваемое окружающей среде. Обычно вскоре
после включения электрического тока в проводнике устанавли-
вается равновесие между выделением количества теплоты и пе-
редачей его окружающей среде:
Q = Qi-
После этого температура проводника перестает повышаться. По-
нятно, что, чем больше сила тока, тем выше будет установив-
шаяся температура проводника.
Для нагревательных элементов, которые применяются в раз-
личных автоматических устройствах, используется проволока из
сплавов с большим удельным сопротивлением р (манганин, кон-
стантан, нихром, фехраль).
Их применение позволяет выполнить нагревательный элемент
с нужным сопротивлением из проволоки не очень тонкой и, сле-
довательно, достаточно прочной; общая длина намотки при этом
может быть небольшая. Действительно, сопротивление нагрева-
тельного элемента определяется мощностью тока Р и напряже-
нием U источника питания:
Но
Я = Р-^.
85
Рис. 102. Устрой-
ство электротерми-
ческого реле (/ и
5 — биметалличе-
ские пластины; 2—
подвижный кон-
такт; 3 — нагрева-
тельный элемент;
4 — неподвижный
контакт)
где р — удельное сопротивление, / — длина про-
водника, S — площадь его поперечного сече-
ния.
Из этой формулы следует, что при данном
значении сопротивления R отношение 1/S бу-
дет тем меньше, чем больше удельное сопро-
тивление р. Уменьшение же этого отношения
достигается уменьшением длины проводника I
и увеличением площади поперечного сечения S.
А это конструктивно целесообразно. Уменьше-
ние длины проводника позволяет выполнить
нагревательный элемент малогабаритным, а
увеличение площади поперечного сечения того
же проводника обеспечивает необходимую
прочность элемента (как механическую, так и
в отношении опасности перегорания).
Тепловое действие электрического тока ис-
пользуется в одном из видов электромехани-
ческих реле, а именно в электротермических.
Кроме того, в реле этого типа используется
свойство биметаллической пластины.
Устройство наиболее распространенного ви-
да электротермического реле схематически по-
казано на рисунке 102. Биметаллическая пла-
стина 1 с одного конца закреплена, а на ее свободном конце
имеется контактный выступ 2. Это подвижный контакт.
На биметаллическую пластину намотан нагревательный эле-
мент 3, по которому проходит тОк, протекающий в цепи управле-
ния. В результате нагревания биметаллическая пластина изги-
бается. Ее контактный выступ 2 приближается к неподвижному
контакту 4 и соединяется с ним. С исполнительной электричес-
кой цепью контакты 2 и 4 соединяются через биметаллические
пластины.
Из рисунка видно, что пластина 5 с неподвижным контактом
также делается биметаллической. Этим исключается влияние
изменения температуры окружающей среды на ток срабатывания.
При изменении температуры окружающей среды изгибаются обе
пластины, причем в одну и ту же сторону. Этот изгиб не приводит
к сближению контактов или увеличению расстояния между ними.
Лишь нагрев одной из пластин током, протекающим по обмотке
нагревательного элемента, может вызвать их соединение.
У электротермических реле контактная пара может быть нор-
мально замкнутой или нормально разомкнутой. Применяются
также контактные группы, работающие на переключение.
Из-за тепловой инерции нагревательного элемента, и осо-
бенно биметаллической пластины, время срабатывания электро-
термического реле, как и время отпускания, оказывается значи-
тельным (до нескольких секунд, а в специальных конструкциях
86
Рис. 104. Схема электротермического реле с нормально замкнутой контактной
парой и механизмом защелки
Рис. 103. Схема электротермического реле с нормально разомкнутой контактной
парой и механизмом защелки (7— биметаллическая пластина; 2 — пружина;
3 — упругая пластина; 4 — подвижный контакт; 5 — зуб-защелка; 6 —
нагревательный элемент; 7— неподвижный контакт; 8—регулировочный винт;
9—гайка; 10— кнопка возврата)
до 10 мин). Это их свойство во многих ситуациях работы автома-
тических устройств оказывается очень ценным. Электротерми-
ческие реле используются как простейшие реле времени.
Ввиду того что у таких реле замыкание и размыкание кон-
тактов протекают медленно, между контактами возникает элек-
трическая дуга, приводящая к их разрушению.
Чтобы предотвратить возникновение электрической дуги, та-
кое реле помещают в вакуумную колбу или используют спе-
циальную рычажную конструкцию, которая переводит контактную
пару из одного крайнего положения в другое скачком после того,
как биметаллическая пластина достигнет определенной темпера-
туры. Такая конструкция в упрощенном виде показана на ри-
сунке 103. Биметаллическая пластина 1 удерживается предва-
рительно растянутой пружиной 2. Упругая пластина 3, несущая
подвижный контакт 4, удерживается зубом-защелкой 5. При про-
хождении тока по нагревательному элементу 6 биметаллическая
пластина нагревается и, сохраняя свою форму благодаря силе
упругости пружины, оказывается по мере нагревания все более
напряженной относительно того свободного состояния, в котором
она могла бы находиться при отсутствии пружины.
По мере все большего нагревания биметаллической пластины
уменьшается сила давления, с которой она действует на верх-
ний торец пластины, несущей подвижный контакт. При опреде-
ленной температуре эта сила давления становится равной нулю.
Биметаллическая пластина изгибается, зуб-защелка освобождает
упругую пластину, несущую подвижный контакт, и происходит
87
соединение последнего с непод-
вижным контактом 7. Регули-
ровочный винт 8 с гайкой 9
позволяют изменять предвари-
тельное растяжение пружины и
этим регулировать значение то-
ка срабатывания.
Как видно из сказанного,
при такой конструкции биме-
таллическая пластина сама не
осуществляет медленного сра-
п _ батывания контактной группы.
Рис. J05. Схема включения rJ
электротермического реле в качестве Она лишь перемещает защелку,
предохранителя которая освобождает упругую
пластину подвижного контакта.
Это и обеспечивает быстрое срабатывание контактной группы и
предотвращает возникновение дугового разряда.
На рисунке 104 показана упрощенная схема электротерми-
ческого реле такой же конструкции, но с нормально замкнутыми
контактами.
Сработавшие электротермические реле, показанные на рисун-
ках 103 и 104, сами после исчезновения тока в обмотке нагрева-
тельного элемента и остывания биметаллической пластины не мо-
гут вернуться в исходное состояние. Этому препятствует зуб-
защелка биметаллической пластины. Возврат реле в исходное со-
стояние осуществляется вручную путем нажатия на специальную
кнопку возврата 10.
Если нагревательный элемент и контакты электротермического
реле, показанного на рисунке 104, включить в цепь последо-
вательно (рис. 105), то при максимальном значении силы тока
в цепи срабатывает реле и контакты размыкают цепь. Таким
образом, осуществляется защита от перегрузок, т. е. электро-
термическое реле играет роль предохранителя.
? I. Чем отличается электротермическое реле от теплового?
2. На какую величину реагирует электротермическое реле и на какую —
тепловое?
3. С какой целью у электротермического реле делают биметаллической не
только пластину, на которую иадет нагревательный элемент, но н холодную
пластину?
4. Почему у электрических реле время срабатывания и время отпускания
больше, чем у электромагнитных?
§ 26. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.
ПРОВОЛОЧНЫЕ РЕЗИСТОРНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ
С увеличением температуры металлического проводника его
электрическое сопротивление возрастает. Эта зависимость ха-
рактеризуется термическим коэффициентом сопротивления а и
выражается формулой
Ri — •/?(>(! Ч- ос/),
где t — температура проводника, R,— его сопротивление при дан-
ной температуре, Ro — сопротивление этого проводника при
температуре / = 0°С. Для чистых металлов а «0,004 К-1. Это
значит, что при нагревании проводника на 100 К его сопротив-
ление увеличивается приблизительно на 40%.
В тех случаях, когда автоматический регулятор или устрой-
ство автоматического управления должно контролировать высо-
кие температуры, в нем используется проволочный резисторный
датчик температуры. Такой датчик представляет собой намотку
голой (неизолированной) металлической проволоки на керамичес-
ком каркасе. Как каркас, так и проволока должны отличаться
термостойкостью и тугоплавкостью. Обычно для этой цели при-
меняют вольфрамовую проволоку.
Для контроля невысоких температур применяют резисторные
датчики из тонкой изолированной медной проволоки, наматы-
ваемой на пластмассовый каркас, который помещают в защит-
ный медный кожух.
Включается проволочный резисторный датчик температуры
по мостовой схеме (рис. 106).
По этой схеме к источнику питания подключается две парал-
лельные ветви. Одна состо-
ит из двух последовательно со-
единенных резисторов R1 и R2.
Вторая ветвь состоит из про-
волочного резисторного датчи-
ка R, и резистора R3. Сопро-
тивления резисторов подбира-
ются так, чтобы при темпера-
туре / = 0°С соблюдалась сле-
дующая пропорция:
R, _ Ri
R-л Rt
где Rh— сопротивление датчи-
ка при температуре / = 0°С.
При этом для напряжений
будет соблюдаться аналогич-
ная пропорция. Действительно,
Рис. 106. Включение проволочного
резисторного датчика по мостовой схеме
89
если Г — сила тока в ветви R1—R2, а 1"— сила тока в
ветви Rt—R3, то
!"Rla_ I’Rt
I"R3 I’Ri '
или
и,. _ Ut
U3 U2 ’
где Ui, U2, U3, Ui„ соответственно напряжения на резисторах
/?/, R2, R3 и на датчике Rt при температуре / = 0°С. По свойству
пропорции можно записать:
_ и,
Ut + Uг
Так как U t:i-\-U3 = U и Ut-\-U2 = U, то из последнего равенства
следует, что Ut„ = Ut. А это означает, что потенциалы в точках а и б
(см. рис. 106) одинаковы.
При повышении же температуры среды, в которую погружен
датчик, сопротивление Rt увеличивается (Rt>Rh). В этом случае
баланс мостовой схемы нарушается:
R, Rt
Ri Ri
Из этого соотношения при отсутствии измерительного прибора
(или когда его цепь разомкнута) имеем:
l"Rt I'Rt
l"Ri > I'Ri ’
или
и, и,
из иг •
Отсюда легко получить соотношение
и, Ut
Ut + U3 Ut + U2 •
Учитывая, что Ut-\-U3 = U и Ut + U2 = U, приходим к выводу,
что Ut>Ut. Это и понятно. Распределение напряжения источни-
ка между резисторами Rt и R3 теперь изменилось: падение на-
пряжения на Rt увеличилось, а на резисторе R3 уменьшилось.
Распределение же напряжения между резисторами R1 и R2 оста-
лось прежним. Результатом этого является возникновение раз-
ности потенциалов между узлами а и б: потенциал точки а ока-
зывается более высоким, чем потенциал точки б. Но при темпера-
турах датчика ниже /=0°С более высоким будет потенциал
точки б.
Таким образом, напряжение, снимаемое с мостовой схемы,
по модулю будет тем больше, чем больше температура контро-
лируемой среды отличается от 0°С. Электрическая полярность
90
выходных зажимов мостовой схемы зависит от того, является
ли температура контролируемой среды положительной (/>0°С)
или отрицательной (7<0°С).
При автоматическом контроле температуры электрическое
напряжение, снимаемое с мостовой схемы, подается на высоко-
омный милливольтметр или (после усиления) на сигнальные
устройства. Подключаемый к точкам а и б измерительный прибор
представляет собой как бы мост, перекинутый от одной ветви схе-
мы к другой; отсюда и происходит термин мостовая схема. При
автоматическом управлении снимаемый с моста сигнал поступает
после усиления на приборы управления исполнительными орга-
нами (например, на обмотку электромагнитного реле).
Ценным свойством проволочных резисторных датчиков темпе-
ратуры является линейный характер зависимости их сопротивле-
ния от температуры. Недостатком же является их небольшая
чувствительность, т. е. малое изменение сопротивления при дан-
ном изменении температуры.
Проволочные резисторы в качестве датчиков температуры,
включаемых по мостовой схеме, используются в электрических
дистанционных термометрах, применяемых для контроля темпе-
ратуры воды в системе охлаждения двигателей внутреннего сго-
рания на автомобилях и самолетах, а также для контроля темпе-
ратуры масла в системе смазки двигателей. Такой резистор
представляет собой катушку из медной проволоки сопротивле-
нием порядка 50... 100 Ом, помещаемую в теплопроводящий ме-
таллический кожух. Проволочные резисторные датчики темпе-
ратуры надо изготовлять из чистых металлов, а не из сплавов,
так как термический коэффициент сопротивления сплавов зна-
чительно меньше, чем чистых металлов.
? 1. В каких случаях в качестве датчиков температуры применяют проволоч-
ные (металлические) резисторы? Какие требования при этом предъявляются
к металлу проволоки, к материалу каркаса?
2. Какова природа зависимости электрического сопротивления металличес-
кого проводника от температуры?
3. Каков характер зависимости электрического сопротивления металличес-
кого проводника от температуры?
4. В чем состоит удобство включения резисторного дат*шка температуры
по мостовой схеме? Как при этом достигается согласование нулевого показания
указателя температуры с нулевым значением температуры контролируемой среды?
S 27. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕЩЕСТВ.
ТЕРМИСТОРЫ
Малое значение термического коэффициента сопротивления
металлических проводников определяется тем, что увеличение
сопротивления с ростом температуры означает увеличение интен-
сивности хаотических колебаний ионов в узлах кристаллической
91
Рнс. 107. Графики зависимости сопротивления металла и полупроводника от
температуры
Рис. 108. Устройство термистора (7 — полупроводниковый стержень; 2 —
металлический корпус; 3 — намотка из фольги; 4 — выводы; 5 — оловянная
пробка; 6 — изолятор)
решетки. Что же касается числа носителей заряда (свободных
электронов), участвующих в образовании электрического тока,
то оно при росте температуры металлического проводника
остается неизменным.
В полупроводниковых же материалах концентрация свобод-
ных носителей заряда (электронов проводимости и дырок, кото-
рые могут перемещаться под действием электрического поля и
образовывать электрический ток) с ростом температуры увели-
чивается. Так как влияние роста концентрации свободных носи-
телей заряда более значительно, чем влияние усиления хаоти-
ческих колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, то
сопротивление полупроводников с ростом температуры умень-
шается. На рисунке 107 приведены для сравнения графики зави-
симости сопротивления металла и полупроводника от температу-
ры. Для полупроводника эта зависимость более резкая и носит
нелинейный характер, в то время как нагревание проволочного
резистора от 0 до 100°С приводит к увеличению его сопротивле-
ния приблизительно в 1,4 раза; такое же нагревание полупровод-
никового резистора приводит к уменьшению сопротивления в
20. .25 раз. Полупроводниковые резисторы, сопротивление кото-
рых сильно зависит от температуры, называются терморезистора-
ми. Они применяются в автоматике как чувствительные датчики
температуры, особенно, когда важно регистрировать ее незначи-
тельные изменения. Терморезисторы, сопротивление которых силь-
но уменьшается с ростом температуры, называются термисто-
рами. Материалом для их изготовления служат оксиды металлов.
92
Находят также применение терморезисторы, сопротивление
которых с ростом температуры значительно увеличивается. Это
так называемые позисторы. Материалом для их изготовления
служит специальная керамика из титаната бария с примесью ред-
коземельных элементов. Рост сопротивления с увеличением тем-
пературы наблюдается у позисторов лишь в определенном интер-
вале температур.
Устройство термистора показано на рисунке 108. Основной
его частью является полупроводниковый стержень 1, боковая
поверхность которого покрыта изолирующим лаком. Полупро-
водниковый стержень помещается в металлический корпус 2. Для
обеспечения теплообмена на полупроводниковый стержень нама-
тывается слой фольги 3, который заполняет пространство между
стержнем и корпусом. В конструкции предусмотрены выводы 4
от концов полупроводникового стержня. Один вывод соединяется
с корпусом через оловянную пробку 5, а второй — через изоля-
тор 6.
За начальное сопротивление термистора обычно принимают
его сопротивление при температуре / = 20°С. Именно это значе-
ние сопротивления указывается в маркировочных данных. Про-
мышленность выпускает термисторы с различным начальным
сопротивлением (от 20 до 100 кОм).
Термисторы, используемые в качестве датчиков температуры,
как и проволочные резисторы, включаются по мостовой схеме.
При этом важно, чтобы нагревом термистора, происходящим
вследствие протекания по нему тока, можно было пренебрегать.
'J I. Каково основное свойство полупроводниковых веществ?
2. Какова природа зависимости электрического сопротивления полупровод-
ников от температуры?
3. Каков характер зависимости электрического сопротивления полупровод-
никового стержня от температуры?
4. В каких случаях в качестве датчика температуры целесообразно при-
менять термистор?
5. Какое требование предъявляется к значению силы тока, протекающего
через терморезистор (термистор)?
6. Как устроен полупроводниковый термистор? Как обеспечивается тепловой
контакт полупроводникового стержня с контролируемой средой?
§ 28. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМИСТОРОВ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ
НАПРЯЖЕНИЯ
Для четкой работы отдельных узлов автоматических
устройств весьма важно, чтобы напряжение питания поддержи-
валось постоянным. Функцию стабилизации (поддержания напря-
жения постоянным) выполняют специальные устройства — ста-
билизаторы. Рассмотрим принцип действия стабилизатора напря-
жения, основанного на использовании термистора.
93
Если термистор включить в,
цепь, по которой протекает зна-
чительный ток, то вследствие
теплового действия электриче-
ского тока термистор будет на-
греваться. Повышение же тем-
пературы термистора приводит
к уменьшению его сопротивле-
ния.
Пусть термистор Rt включен
по схеме, приведенной на ри-
сунке 109. Напряжение Ui, сни-
маемое с потенциометра R, под-
водится к цепи, состоящей из
последовательно соединенных
Рис. 109. Схема установки для снятия
вольт-амперной характеристики
термистора
амперметра, резистора R1 и термистора Rt. Протекающий в
цепи ток нагревает резистор R1 и термистор Rt. Однако сопро-
тивление резистора R1 при этом практически не меняется, сопро-
тивление же термистора Rt уменьшается в соответствии с графи-
ком, приведенным на рисунке 107.
Так как температура термистора при его тепловом равнове-
сии с окружающей средой зависит от силы тока, то, следователь-
но, от силы тока зависит и его сопротивление. Это значит, что
связь между напряжением U,t на зажимах термистора и силой
тока /,,, протекающего по нему, хотя и подчиняется закону Ома
в формуле
но уже не будет линейной из-за того, что сопротивление терми-
стора Rt зависит от силы тока.
Зависимость между напряжением U и силой тока / на каком-
нибудь элементе цепи, представленная графически, называется
Рис. 110. Вольт-амперная характеристика металлического резистора
Рис. 111. Вольт-амперная характеристика термистора
94
Рис. 112. Схема стабилизатора
напряжения на термисторе
Если для металлического
проводника вольт-амперная ха-
рактеристика представляет со-
бой прямую линию (рис. НО)1,
тангенс угла наклона которой к
оси тока равен сопротивлению
этого проводника, то для терми-
стора вольт-амперная харак-
теристика имеет вид, показан-
ный на рисунке 111. Как вид-
но из этого рисунка, вольт-ам-
перная характеристика имеет
падающий участок а—б. Имен-
но наличие этого участка, близкого по форме к прямо-
линейному, позволяет использовать термистор для стабилизации
напряжения, идея которой состоит в том, что если вольт-ампер-
ная характеристика термистора в определенных границах силы
тока, например между значениями IR, и I Rr (см. рис. 111), являет-
ся падающей по линейному закону, а вольт-амперная характе-
ристика простого резистора (см. рис. ПО) является восходящей
по тому же закону, то сумма напряжений на этих двух участках
цепи может при определенном значении сопротивления R\ быть
постоянной величиной:
^Я,+ ^Я, = СОП51.
Для этого значение сопротивления простого резистора R1
должно задаваться равенством
R\ =tgai,
где ai — угол наклона прямолинейного участка падающей части
вольт-амперной характеристики термистора Rt (см. рис. 111).
Схема стабилизатора напряжения приведена на рисунке 112.
На этой схеме под нагрузкой подразумевается устройство, пита-
ние которого должно осуществляться стабилизированным напря-
жением. На рисунке 113 приведены вольт-амперные характери-
стики простого резистора R1, термистора Rt и всей цепи, состоя-
щей из этих двух участков. Из рисунка видно, что в интервале
изменения силы тока суммарное напряжение U„=
= подводимое к нагрузке, остается постоянным.
Но как сохраняется постоянным напряжение U„ на нагрузке
при изменении напряжения U в сети? Для ответа на этот вопрос
надо обратиться к роли резистора R, включенного в цепь после-
довательно (см. рис. 112). Этот резистор должен иметь такое
сопротивление R, чтобы падение напряжения UR на нем было равно
разности между номинальным напряжением L/H0M в сети и необхо-
1 Здесь и далее при построении вольт-амперной характеристики удобно по
оси абсцисс откладывать силу тока, а по оси ординат—напряжение.
95
Рис. 113. К принципу действия стабилизатора напряжения на термисторе
Рис. 114. Схема включения термистора в качестве бесконтактного реле
димым напряжением U„ питания нагрузки:
^R=UUOU-U„.
С другой стороны,
Ur=IR,
где сила тока / равна сумме силы тока /н, потребляемого на-
грузкой, и силы тока /Д(, протекающего в цепи термистора:
1к,-
При выборе значения сопротивления R исходят из того, что
в номинальном режиме рабочая точка с (см. рис. 113) должна
соответствовать силе тока /раб, равной среднему арифметическому
между точками /д; и /Rr:
/
zpart~ 2
^ном
^раб "F hi
резистор R гасит избыток напряжения,
Таким образом,
При этом условии
т. е. UR= UHau— U„.
Если напряжение U в сети увеличивается на некоторую вели-*,
чину At/ и становится равным: U = t/H0M -|- AU, то при этом увели-
чивается сила тока в цепи термистора, а следовательно, и общая
сила тока, протекающего через резистор R. В результате увели-
чивается падение напряжения на резисторе R как раз на величи-
ну At/, а напряжение на нагрузке остается прежним.
Такая стабилизация напряжения на нагрузке имеет место
при колебаниях напряжения в сети, лежащих в определенных
пределах и определяемых соотношением
96
Легко указать допустимые границы колебаний напряжения в сети,
они выражаются соотношением
^ном At/max<C U <ZlJ ном + At/ max.
Когда напряжение в сети выходит за эти пределы, стабили-
затор уже не может поддерживать напряжение на нагрузке по-
стоянным.
Рассмотренный полупроводниковый стабилизатор напряжения
относится к статическим регуляторам. Действительно, действие
стабилизатора основано на гашении избыточного напряжения
на резисторе R (см. рис. 112). Например, при увеличении на-
пряжения в сети увеличивается падение напряжения UR на
резисторе вследствие возрастания силы тока IRi, протекающего
по цепи термистора. Однако увеличение этого тока является
следствием некоторого роста напряжения в этой цепи. Значит,
напряжение на нагрузке не остается идеально постоянным. Оно
возрастает при увеличении напряжения в сети и убывает при
его уменьшении. Но изменение напряжения на нагрузке во
много раз меньше изменения напряжения в сети. Таким образом,
мы здесь имеем характерный пример статического регулирования.
Отношение изменения напряжения At/ux на входе стабилиза-
тора к изменению напряжения А//вых на выходе называется коэф-
фициентом стабилизации:
г- t/BX
Лст“А^х'
Стабилизаторы на термисторах обеспечивают коэффициент ста-
билизации от 10 до 25.
Наконец, надо отметить, что из-за тепловой инерции, тер-
мистора регулирование напряжения на нагрузке происходит че-
рез отклонения его значений от необходимого. Действительно,
если напряжение в сети, например, повысилось, то сила тока в
цепи термистора увеличится до нужного значения не сразу, а по
истечении определенного промежутка времени, необходимого для
нагрева термистора электрическим током, протекающим по нему.
Лишь после этого сопротивление термистора уменьшится настоль-
ко, что возрастание силы тока в его цепи приведет к гашению
избытка напряжения на гасящем резисторе R. Соответственно
и при уменьшении напряжения в сети стабилизирующий эффект
скажется лишь спустя определенное время, необходимое для
того, чтобы термистор при меньшем выделении энергии в нем
остыл вследствие теплообмена с окружающей средой.
? 1. В чем состоит стабилизация напряжения? Какую роль в работе автома-
тических устройств играет постоянство напряжения питания?
2. Какая особенность вольт-амперной характеристики термистора позволяет
его применять для стабилизации напряжения?
3. Как выбирается рабочая точка на вольт-амперной характеристике терми-
стора при использовании последнего для стабилизации напряжения?
4. Зак. 1990 3. М. Резников
97
4. Как определяются границы колебаний сетевого напряжения, в которых
с помощью данного термистора может быть обеспечена стабилизация?
5. Как связано действие термистора в качестве стабилизатора напряжения
с его нагреванием электрическим током, протекающим по нему?
$ 29. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИСТОРА В КАЧЕСТВЕ
БЕСКОНТАКТНОГО РЕЛЕ
В предыдущем параграфе мы рассмотрели использование
термистора для стабилизации напряжения. Идея стабилизации
напряжения этим способом состояла в компенсации падающего
участка вольт-амперной характеристики термистора Rt в его наи-
более крутой (почти линейной) части восходящей линейной вольт-
амперной характеристикой обыкновенного резистора R1. Такая
компенсация имеет место при /?i=tgai (где ai — угол наклона
наиболее крутой части падающего участка вольт-амперной ха-
рактеристики термистора).
Для использования термистора в качестве бесконтактного
реле его включают последовательно с обыкновенным резисто-
ром (рис. 114), сопротивление которого должно удовлетворять
условию
£<tgai.
Соблюдение этого условия приводит к тому, что восходящая
вольт-амперная характеристика резистора R не может полностью
компенсировать падающий участок вольт-амперной характери-
стики термистора в ее наиболее крутой части. В результате этого
вольт-амперная характеристика всей последовательной цепи
имеет характерную «яму> (рис. 115).
По мере увеличения подводимого к этой цепи напряжения
U изменение тока / происходит в соответствии с участком Oda
вольт-амперной характеристики. Когда сила тока достигает зна-
чения /1 (иа графике точка а), дальнейшее ничтожно малое
увеличение напряжения вызывает скачкообразное изменение си-
Рнс. 115. К принципу действия бесконтактного реле на термисторе
Рис. 116. Схема включения нагрузки в цепь бесконтактного реле на термисторе
98
лы тока от значения Ц до значения /2 (на графике точка б). После
этого скачка дальнейшее увеличение напряжения вызывает плав-
ное изменение силы тока (на графике участок б—в).
Необходимо иметь в виду, что изменение силы тока от значе-
ния /1 до значения /2 происходит скачком относительно напря-
жения. Это значит, что для изменения силы тока на конечную
величину — не требуется какого-либо конечного повы-
шения напряжения. Однако во времени изменение силы тока от
/1 до /2 происходит не скачком, а плавно за некоторый конечный
промежуток времени Д/, необходимый для прогревания терми-
стора.
Скачкообразное изменение силы тока в цепи термистора при
данном значении напряжения U позволяет использовать эту
цепь как реле. От известных видов реле — электромагнитного,
магнитоэлектрического, электротермического — такое реле отли-
чается отсутствием у него контактов, которые всегда снижают
надежность действия устройства, так как при их размыкании
возникает искровой либо дуговой разряд, который разрушает
контакты и приводит их к окислению.
Другой особенностью рассматриваемого релейного устройст-
ва на термисторе является совмещенность цепи управления и
исполнительной цепи. У ранее рассмотренных типов реле эти две
цепи разделены. Здесь же нагрузка сопротивлением /?н вклю-
чается последовательно с термистором (рис. 116). При расчете
такой цепи это сопротивление суммируется с сопротивлением
постоянного резистора R и полученная сумма должна удовлет-
ворять условию
Ян+ R <tgai.
Срабатывание рассмотренного релейного устройства состоит
в том, что при достижении напряжением, подводимым к этой цепи,
некоторого значения Ui (напряжения срабатывания) сила тока
в цепи увеличивается в 10...25 раз и становится достаточной
для действия нагрузочного устройства. При этом предполагается,
что при силе тока 1\ нагрузочное устройство не действует (элек-
трическая лампа не светит, звонок не звенит, двигатель не за-
пускается) .
Если термистор Rt получает некоторое количество теплоты от
окружающей среды и нагревается до некоторой повышенной
температуры, то напряжение срабатывания релейного устрой-
ства уменьшается. Если к цепи (см. рис. 116) подведено напря-
жение U2<.Ui, то при обычных условиях сила тока в цепи бу-
дет меньше h (реле пока не сработало). По мере нагревания
термистора напряжение срабатывания уменьшается. При некото-
рой температуре это напряжение станет равным t/2 и реле срабо-
тает, т. е. при таком значении напряжения произойдет скачко-
образное увеличение силы тока в цепи. Это значит, что если
термистор, включенный в рассматриваемую цепь релейного дейст-
4*
99
вия, поместить в среду, температура которой контролируется, то
при повышении температуры до определенного значения в цепи
происходит резкое увеличение тока и срабатывает нагрузочное
устройство /?„, которое управляет соответствующим исполни-
тельным органом автомата (либо само это нагрузочное устрой-
ство и является исполнительным органом).
Таким образом, в рассмотренном режиме цепь, представлен-
ная на рисунке 116, содержит датчик температуры, реле и
исполнительный орган.
Теперь рассмотрим, как происходит отпускание бесконтактно-
го термисторного реле.
Когда напряжение U, подведенное к релейной цепи, начинает
уменьшаться после срабатывания реле (ниже напряжения
срабатывания t7i), сила тока в цепи тоже уменьшается, но
сначала плавно в соответствии с участком б—г вольт-ампер-
ной характеристики от значения /2 до значения /3 (см. рис. 115),
а затем при достижении напряжением значения U2 сила то-
ка скачком уменьшается от значения /з до значения Ц. В
таком уменьшении силы тока при определенном значении
напряжения и состоит отпускание в данной релейной схеме1.
При дальнейшем уменьшении напряжения (ниже значения
U2) сила тока уменьшается плавно в соответствии с участком
d — О вольт-амперной характеристики.
Надо иметь в виду, что и при отпускании уменьшение силы
тока от значения /з до /4 происходит скачкообразно лишь отно-
сительно напряжения (при данном его значении t/2). Во времени
же это уменьшение силы тока не происходит мгновенно, а тре-
бует определенного промежутка, в течение которого в процессе
теплообмена с окружающей средой происходит остывание терми-
стора.
Кроме термисторных реле, существуют и другие виды бескон-
тактных реле.
Э 1. В чем состоит основной недостаток релейно-контактных систем? Как этот
недостаток устраняется в современной автоматике?
2. В чем состоит срабатывание н отпускание бесконтактного реле иа терми-
сторе?
3. Чем определяется время срабатывания н время отпускания бесконтакт-
ного реле на термисторе?
4. Происходит лн полное отключение тока в исполнительной цепи при отпус-
кании бесконтактного реле на термисторе? Отсутствует лн ток в исполнительной
цени до срабатывания бесконтактного реле на термисторе?
5. В чем уступают бесконтактные реле на термисторах электромеханическим
контактным реле?
' Термины срабатывание и отпускание заимствованы из терминологии, при-
нятой для электромеханических реле, и используются здесь по аналогии.
100
$ 30. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ. ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ И ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ
Если основной физической особенностью полупроводниковых
веществ является резкая зависимость их проводимости от внеш-
них энергетических воздействий, в частности от нагревания или
охлаждения, то для применения полупроводников в технике наи-
более важным являются свойства границ двух полупроводни-
ков, из которых в одном преобладает электронная проводимость
(полупроводник n-типа), а в другом—дырочная проводимость
(полупроводник р-типа).
Основным свойством этой границы является ее способность
пропускать электрический ток преимущественно в одном направ-
лении: от полупроводника p-типа к полупроводнику га-типа. Та-
кое направление тока на р—n-переходе называется пропускным
или прямым. В направлении от полупроводника n-типа к полу-
проводнику p-типа ток не проходит, и оно называется обратным.
В этом направлении небольшой ток проходит лишь за счет неос-
новных носителей свободных зарядов в полупроводниках: сво-
бодных электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупро-
воднике га-типа.
Полупроводниковый прибор, содержащий один р—п-переход,
называется полупроводниковым диодом. Основным свойством по-
лупроводникового диода является его односторонняя проводи-
мость. Однако его применение в электронике, электротехнике,
автоматике, а также в других областях производства, весьма
разнообразно.
На рисунке 117 приведена вольт-амперная характеристика
Рис. 117. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
Рис. 118. Использование контактного ключа для коммутации напряжения
(а — схема; б — временная диагоамма выходного напряжения)
101
Рис. 119. Электронный диодный ключ (а — схема; б — идеализированный график
передачи напряжения)
кремниевого полупроводникового диода в прямом и обратном на-
правлениях.
Если к диоду приложено в пропускном направлении регули-
руемое напряжение (положительный полюс источника присоеди-
нен к полупроводнику p-типа, а отрицательный — к полупровод-
нику n-типа), то с ростом напряжения сила тока увеличивается
с нарастающей быстротой. Разумеется, каждый диод рассчитан
на определенный максимальный ток и при его перегрузке ои
перегревается и может выйти из строя.
В обратном направлении сила тока во много раз меньше.
При увеличении обратного напряжения обратный ток быстро
достигает насыщения и далее остается постоянным.
Практически можно во многих случаях пренебречь значением
силы тока, который полупроводниковый диод пропускает в обрат-
ном направлении. Это значит, что полупроводниковый диод ха-
рактеризуется односторонней проводимостью, т. е. обладает свой-
ством вентиля, открытого для электрического тока в одну сто-
рону и закрытого в обратную. Именно на этом свойстве в первую
очередь основаны разнообразные применения полупроводнико-
вых диодов в автоматических устройствах и в узлах ЭВМ.
Наиболее часто полупроводниковые диоды используются в
автоматике в качестве своеобразных бесконтактных ключей. Та-
кие электронные ключи оказываются замкнутыми для напряже-
ния одной полярности и разомкнутыми для напряжения противо-
положной полярности. В этих случаях говорят о работе диода
в ключевом режиме. На рисунке 118 показан один из случаев'по-
дачи напряжения от источника к потребителю через контактный
ключ. При разомкнутом ключе напряжение передается со сторо-
ны входа на выход целиком. В случае же, когда ключ замкнут,
напряжение, поступившее на вход, полностью гасится на резисто-
ре R и на выход не попадает. Здесь коммутация предполагает
механическое движение при замыкании либо размыкании ключа.
На рисунке 119, а представлена наиболее простая схема
электронного диодного ключа, а на рисунке 119, б — идеализи-
102
Рис. 120. Электронный диодный ключ с ненулевым уровнем включения диода
(а—схема; б — идеализированный график передачи напряжения)
рованный график передачи напряжения через такой ключ с входа
на выход. Действие такого электронного ключа сходно с действием
контактного ключа, включенного по схеме, приведенной на ри-
сунке 118. Если на вход поступает отрицательное напряжение
(полярность соответствует обратному направлению диода), то в
цепи тока не будет. Следовательно, на резисторе R не будет паде-
ния напряжения и напряжение на выходе будет равно напряже-
нию на входе1.
Когда же на вход поступает положительное напряжение,
сопротивление диода ничтожно мало и в цепи течет ток
При этом на резисторе R падение напряжения (UK=IR)
практически равно напряжению на входе1 2. Следовательно, на-
пряжение на выходе при этом равно нулю.
Такой электронный диодный ключ используется для того, что-
бы пропустить отрицательные импульсы и не пропустить (по-
давить) положительные (см. рис. 119). В зависимости от харак-
тера решаемых задач применяются разнообразные схемы элек-
тронных ключей на диодах.
Характерной особенностью рассмотренной схемы является
то, что включение диода происходит при подаче на вход по-
ложительного напряжения любого значения (начиная от
нулевого).
На рисунке 120, а приведена другая схема диодного ключа,
отличающаяся тем, что в цепи диода имеется источник тока с
ЭДС, равной полярность которого соответствует обратному
направлению диода D. При подаче на вход ключа отрицатель-
ного напряжения в цепи тока не будет (как и при ранее рассмот-
1 Здесь мы пренебрегаем значением малого обратного тока через диод.
2 Пренебрегаем сопротивлением диода в пропускном направлении по сравне-
нию с сопротивлением резистора R.
103
Рис. 121. Двойной диодный ключ (а — схема; б — идеализированный график
передачи напряжения)
ренной схеме ключа), и это напряжение полностью передается
на выходные зажимы ключа (рис. 120, б).
Такая же картина наблюдается и при подаче на вход положи-
тельного напряжения (диод заперт напряжением &
источника).
Но, как только положительное напряжение на входе начи-
нает превосходить напряжение источника (t/BX>^), диод отпи-
рается. При этом на резисторе R имеет место падение напряже-
ния Ur=[R = Uвк—, и независимо от значения напряжения
на входе значение напряжения на выходе будет одно и то же и
равно:
Такой ключ можно использовать в качестве ограничителя ампли-
туд положительных импульсов (см. рис. 120, а).
Диодный ключ, работающий по схеме, приведенной на ри-
сунке 120, а, отличается от ранее рассмотренного тем, что в нем
включение диода происходит не при любом положительном на-
пряжении на входе, а лишь при
Наконец, возможен и двойной диодный ключ (рис. 121) с
ненулевым включением диодов. Такой ключ может использовать-
ся для ограничения амплитуд как положительных, так и отри-
цательных импульсов.
Подчеркнем, что автоматическое действие электронных диод-
ных ключей во всех случаях обусловливается изменениями по-
лярности напряжения на входе и основывается на односторон-
ней проводимости диодов. Именно на изменение полярности реаги-
рует ключ.
Совсем иная особенность полупроводниковых диодов исполь-
зуется, когда эти диоды применяются для стабилизации напря-
жения. Дело в том, что если значение обратного напряжения
приближается к значению напряжения пробоя р—«-перехода,
то сила тока начинает очень быстро нарастать. Именно это явле-
ние используется при диодной стабилизации напряжения. Это
104
видно из вольт-амперной харак-
теристики диода, приведенной
на рисунке 117*.
Схема диодной стабилиза-
ции напряжения приведена на
рисунке 122. Параллельно на-
грузке, для питания которой
необходимо стабилизированное
напряжение, включается полу-
проводниковый диод в обрат-
ном направлении. Последова-
тельно в цепь включается ре-
зистор, гасящий избыточное на-
пряжение. Напряжение, под-
водимое к цепи, должно быть
Рис. 122. Схема стабилизатора
напряжения на полупроводниковом
дноде
больше пробивного напряже-
ния диода. В рабочем режиме р-—«-переход диода должен
быть пробит и через него в обратном направлении должен про-
текать некоторый ток lD. Это значит, что общая сила тока / в цепи
должна быть больше силы тока /„ в нагрузке:
/ — /о Ч~/н > Л-
Поэтому для сопротивления R можно записать соотношение:
R
^ном 'Л, ^ном 'Л
- —
где t/H0M — номинальное значение подводимого напряжения (на-
пряжения в сети). При изменении подводимого напряжения на
величину АС/ происходит соответствующее изменение (увеличе-
ние или уменьшение) силы тока /0, протекающего через диод,
и в результате этого изменяется падение напряжения на гасящем
сопротивлении R таким образом, что напряжение на нагрузке
остается практически неизменным. При использовании кремние-
вого диода коэффициент стабилизации /(>15.
В случае диодного стабилизатора стабилизированное напря-
жение всегда равно пробивному напряжению диода. Однако,
используя делитель напряжения, можно подавать на нагрузку
стабилизированное напряжение меньше пробивного 1 2.
Р 1. Что такое полупроводниковый р—п-переход?
2. В чем состоит основное свойство р—п-перехода?
3. Что собой представляет полупроводниковый диод? В чем состоит основ-
1 На рисунке 117 ось тока в прямом (положительном) направлении про-
градуирована в амперах, а в обратном (отрицательном) направлении — в микро-
амперах.
2 Такой прием применим лишь при условии, если режим нагрузки (потреб-
ляемый ток) не изменяется.
I
105
Рис. 123. Электронный диодный ключ с последовательным включением диода
(а — схема; б — идеализированный график передачи напряжения)
ная ценность (основное назначение) полупроводниковых диодов в схемах авто-
матических устройств?
4. В схеме данного ключа, приведенной выше на рисунке 119, диод включен
параллельно нагрузке аналогично тому, как включен контактный ключ на ри-
сунке 118. На рисунке 123 приведена другая схема диодного ключа. На ней диод
включен последовательно с нагрузкой. Объясните действие такого диодного клю-
ча и начертите аналогичную схему с контактным ключом.
5. Какова особенность вольт-амперной характеристики полупроводникового
диода в области обратного тока? Каков ход вольт-амперной характеристики
в области значений напряжения, близких к пробивному?
6. Как осуществляется стабилизация напряжения с помощью полупровод-
никового диода? Каково при этом значение стабилизированного напряжения?
7. К какому виду регулирования (статическому или астатическому) отно-
сится стабилизация напряжении при помощи полупроводникового диода?
$ 31. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ДЛЯ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛА
Полупроводниковый триод представляет собой кристалл, в
котором созданы два р—re-перехода. Схематично триод изобра-
жен на рисунке 124. У полупроводникового триода р—п—р-типа
на рисунке 124, а пропускные направления, показанные стрел-
ками обоих переходов, идут навстречу друг другу. У триода же,
изображенного на рисунке 124, б (триод п.—р—n-типа), пропуск-
ные направления переходов идут в противоположные стороны.
Важнейшая особенность устройства полупроводникового
триода, или транзистора, состоит в том, что средний полупро-
водниковый слой (полупроводник re-типа у триода р—п.—р-типа
124
Рис. 124. Схемы полупроводниковых триодов
106
Эмиттер Боза Коллектор Эмиттер Боза Коллектор
Рис. 125. Схемы включения полупроводниковых триодов
в качестве усилителей
и полупроводник p-типа у триода п—р—п-типа) —база полупро-
водникового триода — должен быть очень тонким. Толщина этого
слоя выражается несколькими микрометрами, т. е. тысячными
долями миллиметра.
Основным назначением транзисторов является его примене-
ние для усиления слабых сигналов.
Усиливаемый сигнал (слабый электрический ток) подается
на один из р—n-переходов в пропускном направлении. В резуль-
тате прохождения тока через этот р—n-переход в базу попадают
основные свободные носители заряда из соответствующего край-
него полупроводника, который называется эмиттером. Этими
основными свободными носителями заряда в эмиттере являются
дырки, если транзистор р—п—p-типа, а для транзистора п—р—п-
типа — электроны проводимости. Эмитированные носители в базе,
которой является полупроводник противоположного типа прово-
димости, оказываются неосновными.
Ко второму р—п-переходу подводится постоянное напряже-
ние в обратном направлении. Следовательно, ток через этот
переход образуется неосновными носителями зарядов. Именно
эмитированные в базу носители попадают в довольно широкую
зону поля двойного слоя второго р—n-перехода, ускоряются
этим полем и переводятся во второй крайний слой полупровод-
ника, называемый коллектором' (рис. 125). Такое название обу-
словлено тем, что здесь собираются свободные носители зарядов,
первоначально попавшие в базу из эмиттера. Для работы тран-
зистора принципиально важно, чтобы ширина базы была при-
мерно такой же, как ширина зоны электрического поля двойного
слоя коллекторного перехода. Если бы база имела значительную
ширину, то эмитированные в нее носители в большинстве своем
не попадали бы в поле двойного слоя коллекторного перехода и не
переходили бы- далее в коллектор, т. е. триод не действовал бы1 2.
1 От латинского слова collector — собирающий.
2 По указанной причине нельзя составить полупроводниковый триод из двух
полупроводниковых диодов.
107
Напряжение сигнала, подаваемого к эмиттерному переходу,
очень мало (обычно несколько милливольт). Но так как его по-
лярность соответствует пропускному направлению, то оно вызы-
вает через эмиттерный переход значительный ток. Напряжение
же, подводимое к коллекторному переходу (коллекторное на-
пряжение), должно быть достаточно большим (несколько вольт
или даже десятки вольт). Это объясняется тем, что полярность
коллекторного напряжения соответствует обратному направле-
нию коллекторного перехода.
Сила тока /к, протекающего через коллекторный переход, как
правило, приблизительно равна силе тока /э, протекающего через
эмиттерный переход (или немного меньше ее). Следовательно,
полупроводниковый триод не позволяет получить усиления по
току; коэффициент усиления а по току обычно немного меньше
единицы:
Но это отличие от единицы невелико: коэффициент усиления по
току может быть равным 0,99, 0,995. В чем же состоит эффект
усиления, получаемого с помощью транзистора?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо обратить внимание на
то, что сопротивление коллекторного перехода, работающего в
обратном направлении, во много раз больше сопротивления эмит-
терного перехода, работающего в прямом направлении. Поэтому
и коллекторное напряжение во много раз превосходит напряже-
ние сигнала, подводимого к эмиттерному переходу. Благодаря
этому можно в коллекторную цепь включать нагрузку, имеющую
значительное сопротивление. На этой нагрузке получается паде-
ние напряжения U„, во много раз превосходящее напряжение
сигнала в цепи эмиттерного перехода. Именно поэтому мощность
тока PH = IKU„ в нагрузке, оказывается усиленной по сравнению
с мощностью сигнала в цепи эмиттера.
Пусть, например, нагрузкой в цепи коллектора служит об-
мотка электромагнитного реле. Предположим, что мощность
исходного сигнала недостаточна для срабатывания реле. В цепи
же коллектора сила тока не больше, чем в цепи эмиттера, но
р-п-р
п-р-п
3 к
включаемая в цепь коллектора
обмотка реле может иметь боль-
шое сопротивление, и, следова-
тельно, она может иметь боль-
шое число витков. Таким обра-
зом, получается выигрыш не в
силе тока, а в числе витков
обмотки. При достаточно боль-
шом числе витков реле сраба-
тывает и при малой силе тока.
Рис. 126. Условные обозначения
полупроводниковых триодов
Надо, однако, иметь в виду,
что при увеличении сопротив-
108
Рис. 127. Схемы транзисторных усилителен
ления нагрузки /?„ происходит не только увеличение напряжения
на нагрузке, но и одновременное уменьшение силы тока в кол-
лекторной цепи.
Это уменьшение силы тока объясняется тем, что, чем боль-
ше напряжение на нагрузке, тем меньше становится напряже-
ние на коллекторном переходе (при данном напряжении источ-
ника питания в коллекторной цепи; см. рис. 125). Значит, при
увеличении сопротивления /?н в формуле выходной мощности
тока Ря=/ки„ один сомножитель растет (напряжение U„),
а другой сомножитель убывает (сила тока /к).
Можно математически доказать, что при таких условиях
мощность в нагрузке будет наибольшей (и следовательно, наи-
большим будет коэффициент усиления по мощности), если сопро-
тивление нагрузки /?„ будет равно сопротивлению коллекторного
перехода в обратном направлении.
Когда же важным является усиление не по мощности, а по
напряжению, то целесообразно, чтобы сопротивление нагрузки
было по возможности больше.
На рисунке 126, а, б представлены принятые условные обозна-
чения транзисторов на электрических схемах: а — транзистор
р—п—p-типа; б — транзистор п—р—ге-типа.
На рисунке 127, а, б, приведены те же схемы усиления, что
и на рисунке 125, а, б, но с соблюдением принятых условных
обозначений для транзисторов.
1. Что собой представляет по внутренней структуре полупроводниковый
триод? Какие могут быть типы полупроводниковых триодов?
2. Какому требованию должна удовлетворять толщина базы для действия
полупроводникового триода?
3. Какое различие пря работе тряода имеется между направлениями тока
через эмиттерный я коллекторный переходы?
4. За счет каких носителей зарядов (основных или неосновных) образуются
токи через эмиттерный и коллекторный переходы?
5. Что называется коэффициентом усиления триода по току?
109
§ 32. РАЗЛИЧНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ТРАЗИСТОРАХ.
ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ
Рассмотренная в предыдущем параграфе схема усилителя на
транзисторе называется схемой с общей базой. Но возможны и
другие схемы. На рисунке 128, а, б приведены схемы усилителя
с общим эмиттером соответственно для транзисторов р—п—р-та-
па и п—р—п-типа.
Наконец, находит применение и схема с общим коллектором,
представленная на рисунке 129, а, б.
Сравним эти три вида схем усилителя в отношении коэффи-
циентов усиления по току Ki и напряжению Ки-
1. Схема с общей базой. Для самого транзистора мы уже
ввели понятие коэффициента усиления по току а. Эта величина
представляет собой отношение силы тока /к через коллекторный
переход к силе тока /э через эмиттерный переход:
При рассмотрении же различных схем включения транзистора
в качестве усилителя под коэффициентом усиления по току К,
понимают отношение силы тока на выходе усилителя к силе тока
на его входе.
Аналогично под коэффициентом усиления по напряжению
Ки понимают отношение напряжения UH на нагрузке к входному
напряжению усиливаемого сигнала.
В случае схемы с общей базой коэффициент усиления по
току Ki для усилителя равен коэффициенту усиления по току а
самого транзистора:
Коэффициент же усиления по напряжению при этой схеме
равен:
ия ия
^х ^э-6 '
Рис. 128. Схемы транзисторных усилителей с общим эмиттером
НО
Рис. 129. Схемы транзисторных усилителей с общим коллектором
Если ввести понятие входного сопротивления /?вх как отноше-
ние входного напряжения к входному току, то к данной схеме бу-
дем иметь:
Поэтому
fr UЦ /КЯН Я в
2. Схема с общим эмиттером. Для такой схемы
Ki
Но так как при этой схеме
/в = /э —/к= (1 —а)/„
то
/к а
= (1 - а)/9 = ’
Если, например, а=0,99, то Ki~ ЮО. Коэффициент усиления
по напряжению для этой схемы выразится следующим образом:
If _ и»_____^кЯн _ if. _ а Я„
^вх ^вхЯвх Явх I а Явх
Однако само входное сопротивление в этом случае будет
другим, не таким, как в схеме с общей базой:
D Уд-Э______^9—в __ ^Д-э
l6 (1-а)/, •
Отсюда видно, что входное сопротивление усилителя, работаю-
щего по этой схеме, больше входного сопротивления усилителя,
работающего по схеме с общей базой, в -j-j- - раз (при а=0,99
— в 100 раз).
111
Именно поэтому при использовании схемы с общим эмиттером
коэффициент усиления по напряжению Ки будет в соответствии
с приведенной выше формулой приблизительно таким же, как при
использовании схемы с общей базой.
В тех случаях, когда источник усиливаемого сигнала явля-
ется очень слаботочным, важно, чтобы входное сопротивление
усилителя было по возможности большим. Тогда схема с общим
эмиттером оказывается более целесообразной, чем схема с общей
базой.
3. Схема с общим коллектором. При этой схеме коэффициент
усиления по току равен:
IZ _ 'э _ 'э _ 1
Л'- /б —/э_/к — 1 _в •
Численно он приблизительно такой же, как у усилителя с
общим эмиттером.
Входное сопротивление усилителя, работающего по данной
схеме, выражается формулой
т. е. 7?вх больше сопротивления нагрузки R„ в раз.
Таким образом, усилитель, работающий по схеме с общим
коллектором, отличается большим коэффициентом усиления по
току и большим входным сопротивлением. Это позволяет при-
менять его в тех случаях, когда источник усиливаемого сигнала
является слаботочным и сам имеет большое внутреннее сопро-
тивление.
4. Транзисторные ключи. Электронные ключи на полупровод-
Рис. 130. Схема транзисторного
ключа-инвертора
никовых диодах имеют тот не-
достаток, что управляющая и
исполнительная цепи оказыва-
ются неразделенными. Между
тем во многих случаях важно,
чтобы эти цепи были разделен-
ными. Достигается это в элек-
тронных ключах на транзисто-
рах. Схема такого ключа-инвер-
тора (рис. 130) почти не отли-
чается от схемы усилителя с
общим эмиттером (см. рис.
128). Схема ключа отличается
лишь наличием резистора R6 в
цепи базы.
Но главное отличие состоит
в режиме работы триода. Как
усилитель транзистор работает
112
в аналоговом режиме, при котором напряжение на на-
грузке в точности повторяет изменения сигнала на входе;
усилитель не изменяет формы сигнала, а лишь увеличи-
вает все его мгновенные значения в одинаковое число раз.
Ключевой же режим транзистора отличается тем, что значение
силы тока в цепи нагрузки и, следовательно, напряжение на на-
грузке изменяются между двумя крайними значениями — мини-
мальным и максимальным.
Одно из этих крайних состояний реализуется при нулевой
силе тока на входе (/6=0). В этом случае коллекторный переход
транзистора закрыт и сила тока в коллекторной цепи очень мала
(/К|даО). Поэтому напряжение UKl на выходе практически рав-
но источника питания, включенного в коллекторную цепь
Второе крайнее состояние ключа реализуется при подаче на
вход некоторого положительного напряжения UBK. При этом эмит-
терный переход триода открывается, его сопротивление стано-
вится очень малым и сила тока во входной цепи определяется
лишь сопротивлением резистора R6:
, ^вх
6 R6
Благодаря протеканию этого тока коллекторный переход тран-
зистора отпирается, его сопротивление становится малым
(по сравнению с сопротивлением нагрузки /?к), и сила тока в кол-
лекторной цепи достигает предельного значения, которое
определяется в основном лишь значением сопротивления на1
грузки
/ = *-
При этом напряжение на выходе практически равно нулю
(UK,«0). Таким образом, сила тока в нагрузочной цепи тран-
зисторного ключа принимает значения
/к'=0 и
а напряжение на выходе—(7К1 = ^ и С7Кз=О.
При поступлении на вход транзисторного ключа положитель-
ного прямоугольного импульса напряжение на выходе имеет вид
прямоугольной «ямы». Поэтому такой ключ называется инверто-
ром'. Заметим, что при различных амплитудах входного импуль-
са (в достаточно широких пределах) глубина соответствующей
«ямы» на графике выходного напряжения остается практически
одной и той же.
Если два таких ключа соединить последовательно (выход
1 От латинского invertere — обращать.
113
одного ключа соединить со входом другого, рис. 131), то в ре-
зультате двойной инверсии на выходе второго ключа будут поло-
жительные импульсы1. Таким образом будет получен ключ-повто-
ритель: при поступлении на вход положительного импульса на
выходе также образуется положительный импульс, но вполне
определенного размера (величина всех импульсов на выходе
равна ^).
С помощью диодных и триодных ключей решаются различ-
ные задачи импульсной техники, широко используемой в автома-
тике.
? 1. Какие применяются схемы транзисторных усилителей?
2. Как различаются между собой различные схемы транзисторных уси-
лителей в отношении зиичеиий коэффициентов усиления по току и на-
пряжению?
3. При использовании схемы с общей бизой коэффициент усилении ио току
близок к 1. В чем в этом случае состоит эффект усиления (на примере обеспе-
чения срабатывания электромагнитного реле)?
4. Какую схему триизисториого усилителя следует применить, чтобы коэффи-
циент усилении по току был значительно больше 1?
5. Какую схему транзисторного усилители следует применить, если источник
усиливаемого сигнала является очень маломощным и имеет большоэ внутреннее
сопротивление?
б. Чем отличается режим работы триода в электронном транзисторном клю-
че от режима работы триода в транзисторном усилителе?
7. В чем состоит идея получения транзисторного ключа-повторителн?
1 Напряжение на вход второго ключа-повторителя подается с потенциометра,
образуемого резисторами R1 и R2, включенными на выход первого ключа-
повторнтеля.
114
$ 33. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Уже знакомые вам полупроводниковые триоды (см. § 31) со-
держат по два р—re-перехода. Такие триоды получили название
биполярных. Особенностью их работы является то, что входной
сигнал носит характер того нли иного изменения силы тока. Имен-
но в результате изменения силы тока через эмиттерный переход
изменяется число инжектируемых из эмиттера в базу носителей
заряда (электронов для триодов п—р—re-типа или дырок для
триодов р—п—p-типа). А это приводит к соответствующим изме-
нениям силы тока в коллекторном переходе. Таким образом, ток
в коллекторной цепи управляется током (не напряжением!) в
эмиттерной цепи. Существенной особенностью биполярных тран-
зисторов является то, что входное сопротивление у них мало,
а это во многих случаях представляет их большой недостаток.
Указанного недостатка нет у полевых транзисторов. Транзис-
торы этого типа в первую очередь отличаются от биполярных
тем, что они содержат не два, а лишь один р—re-переход. По
этой причине полевые транзисторы еще называют униполярными.
Устройство полевого транзистора показано на рисунке 132.
Основой его конструкции является полупроводниковая пластина,
которая имеет примесную проводимость либо re-типа, либо р-типа.
На ее торцы наложены металлические электроды айв, при помощи
которых этот полупроводник включается в электрическую цепь.
Если полупроводник имеет электронную проводимость, то при
указанной на рисунке 132, а полярности подключения источника
напряжения к электродам а и в основные носители заряда —
электроны будут двигаться из области И, называемой истоком,
132 о
Рис. 132. Устройство и включение полевого триода с двухсторонним затвором
(а — с каналом электронной проводимости; б — с каналом дырочной
проводимости)
115
Рис. 133. Устройство и включение полевого транзистора с односторонним
затвором (а — при «-проводимости канала; б — при р-проводимости канала)
к области С, называемой стоком, через область К, называемой
каналом.
В случае же дырочной проводимости полупроводника поляр-
ность подключения источника тока к электродам а и в должна
быть обратной (рис. 132, б). При этом через канал от истока И
к стоку С движутся дырки, являющиеся основными носителями
зарядов.
Управление силой тока в цепи стока осуществляется при
помощи так называемого затвора 3. Роль затвора выполняет
примыкающий к наружным граням канала слой полупроводника,
который по типу проводимости противоположен каналу: если
канал имеет электронную проводимость, то затвор представляет
собой полупроводник с дырочной проводимостью и, наоборот,
при дырочной проводимости канала затвор должен иметь элек-
тронную проводимость.
В обоих случаях на границе затвора с каналом образуется
р—л-переход1. На слои полупроводника затвора наложены ме-
таллические электроды с и d, с помощью которых от этих слоев
сделаны электрические выводы.
Полевой транзистор может иметь и односторонний затвор,
как показано на рисунке 133.
Выясним, как действует затвор, т. е. как с его помощью осу-
ществляется управление силой тока в цепи стока. Из основного
курса физики вам уже известно, что в окрестности границы
р—л-перехода (по обе стороны от нее) образуется запирающий
слой, обедненный концентрацией основных носителей заряда.
Удельное сопротивление полупроводника в этом слое очень вели-
ко. Если на рассматриваемый р—л-переход подать напряжение,
полярность которого соответствует обратному направлению, то
толщина запирающего слоя увеличивается. Чем больше запираю-
щее напряжение подается на р—n-переход (между затвором и
1 Так как оба слоя затвора здесь соединены между собой, то следует говорить
об одном р—«-переходе.
116
Запирающий
слой
Рнс. 134. Уменьшение ширины
проводящей зоны канала полевого
транзистора при возрастании
запирающего напряжения
р—n-перехода
истоком), тем больше толщина запирающего слоя по обе стороны
от границы р—n-перехода. Но увеличение толщины запирающе-
го слоя со стороны канала приводит к уменьшению ширины про-
водящего слоя последнего— канал сужается (рис. 134). Это при-
водит к увеличению сопротивления последнего и, следовательно,
к уменьшению силы тока в цепи стока. Чтобы управление силой
тока в цепи стока при помощи затвора было достаточно эффек-
тивным, ширина канала должна быть сравнима с возможными
изменениями толщины запирающего слоя. Практически в поле-
вых триодах ширина канала по порядку величины составляет
10-6 мкм. На рисунке 134 показано изменение ширины канала
в зависимости от значения потенциала затвора относительно
истока (7'э„).
При этом следует заметить,
что в случае электронной про-
водимости канала потенциал
затвора относительно истока
должен быть отрицательным;
чем ниже потенциал затвора,
тем меньше сила тока в цепи
стока. Наоборот, при дырочной
проводимости канала потен-
циал затвора относительно ис-
тока должен быть положитель-
ным; в этом случае сила тока
в цепи стока тем меньше, чем
выше потенциал затвора отно-
сительно истока.
Так как напряжение UM
между затвором и истоком име-
ет полярность, соответствую-
щую запиранию р—п-перехода,
то сила тока во входной цепи
очень мала (порядка 10-8...
10-9 А). Поэтому, входное со-
противление полевого транзис-
тора очень велико (порядка
10’...106 Ом), что во многих
случаях чрезвычайно важно.
В отличие от биполярных
транзисторов, у которых ток в
цепи коллектора управляется
током, протекающим через
эмиттерный переход, полевые
транзисторы имеют особен-
ность: у них ток в цепи стока
управляется не током во вход-
ной цепи, а напряжением меж-
117
Рис. 135. Условные обозначения
полевых транзисторов иа схемах:
а — для транзисторов с электронной
проводимостью канала;
б — для транзисторов с дырочной
проводимостью канала
Рис. 136. Схема усилителя иа полевом
транзисторе
ду затвором и истоком *, т. е., по существу, электрическим по-
лем, создаваемым в р — «-переходе. Именно поэтому транзисторы
этого типа получили название полевых.
На рисунке 135 приведены условные изображения полевых
транзисторов с каналами, имеющими электронную (а) и дыроч-
ную (б) проводимости. В обоих случаях показана полярность
подключения источников напряжения.
На рисунке 136 приведена схема усилителя на полевом тран-
зисторе. В зависимости от длины канала внутреннее сопротив-
ление полевого транзистора (выходное сопротивление) мржет
быть большим или меньшим (по порядку величины от 10 до
103 кОм). Для усиления напряжения применяют транзисторы
с большим внутренним сопротивлением, а для усиления сигнала
по мощности — транзисторы с малым внутренним сопротивле-
нием.
В последнее время наибольшее распространение получили
полевые триоды с изолированным затвором. В таких триодах
затвор делается металлическим и изолируется от полупровод-
ника тонким слоем диэлектрика. Диэлектриком, как правило,
служит оксид кремния. Такие полевые триоды называются
МОП-транзисторами (МОП — сокращенное обозначение струк-
туры транзисторов этого типа: металл — оксид— полупроводник).
1 В этом отношении полевые транзисторы сходны с вакуумными триодами,
у которых сила тока в анодной цепи зависит от потенциала сетки относительно
катода.
118
Преимуществом МОП-транзисторов перед обычными поле-
выми транзисторами (с полупроводниковым затвором) является
возможность подавать на затвор положительные напряжения
(7зя>0. С ростом положительных напряжений на затворе уве-
личивается ток /с в цепи стока. Важно и то, что при изолированном
затворе в его цепи практически тока нет. А в остальном свой-
ства МОП-транзисторов не отличаются от свойств обычных по-
левых транзисторов.
В современной автоматике электронные устройства играют
исключительно важную роль. Первоначально основой электрон-
ных устройств были вакуумные электронные лампы (диоды,
триоды и др.). Это было первое поколение электронных устройств,
которые отличались большими размерами и большим потребле-
нием энергии.
Подлинную революцию в электронике совершили полупровод-
ники. Замена электронных ламп полупроводниковыми диодами
и триодами, а также использование других полупроводниковых
приборов позволили во много раз уменьшить размеры электрон-
ных устройств и значительно снизить потребление ими электро-
энергии. Так возникло второе поколение электронных устройств.
Их существенной особенностью было использование дискретных
полупроводниковых элементов, которые монтировались посред-
ством пайки.
Следующим шагом в развитии электроники был переход к
плоским печатным схемам. Все соединения между дискретными
элементами устройства наносятся специальными методами на
изоляционную плату (рис. 137). Это было третье поколение
электронных устройств, которое
шением габаритов.
В настоящее время в элек-
тронике вместо дискретных эле-
ментов, где каждый имеет свой
корпус и свои выводы, а также
требует того или иного спосо-
ба подключения, применяют-
ся интегральные микросхемы
(ИМС). Это — четвертое по-
коление электронных устройств.
Суть интеграции состоит в том,
что в едином твердотельном
блоке создаются микроскопи-
ческие области с различными
электрическими свойствами,
благодаря чему весь блок пред-
ставляет собой сочетание боль-
шого числа простых элементов
(транзисторов, диодов, рези-
сторов и др.), соединенных
отличалось дальнейшим умень-
Рис. 137. Часть рисунка печатной платы
(1 — проводник; 2 — маркировка для
монтажа элементов; 3 — монтажное
отверстие)
119
Рнс. 138. Пример интегральной микросхемы (трехкаскадный усилитель).
Через выводы 1—8 данная ИМС включается в общую схему электронной
установки
между собой. В таких ИМС плотность упаковки простых элемен-
тов в настоящее время доведена до фантастического уровня —
порядка миллиона элементов в 1 см3. Из отдельных ИМС и соби-
раются ЭВМ, микропроцессоры и другие электронные устройства,
используемые в современной автоматике. На рисунке 138 приве-
дена схема небольшой ИМС, состоящая из транзисторов, рези-
сторов, конденсаторов и выполняющая функцию усиления сигна-
ла. Как видно из рисунка, отдельные полупроводниковые тран-
зисторы показаны без корпусов, так как в ИМС эти транзисторы
представляют собой не дискретные элементы, а лишь опреде-
ленные образования в едином блоке. Применение ИМС сочетается
с использованием печатных плат, которые теперь служат для
соединения не отдельных элементов, а целых электронных бло-
ков (ИМС). Такое развитие электроники наложило свой отпеча-
ток на всю технику автоматических устройств, для которой ха-
рактерным является поиск оптимальных решений в отношении
миниатюризации, экономии электроэнергии и др.
7 1- Какое свойство р—л-перехода лежит в основе действия полевых тран-
зисторов?
2. Почему в полевых транзисторах ширина канала должна быть сравнимой
с возможным изменением толщины запирающего слоя р—л-перехода, образуе-
мого затвором и каналом?
3. По образцу схемы, приведенной на рисунке 136, начертите аналогичную
схему усилителя на полевом триоде с дырочной проводимостью канала.
4. Объясните роль нагрузочного резистора Ян (см. рис. 136) при усилении
сигнала по напряжению.
5. Объясните по схеме усилителя, приведенной на рисунке 136, назначение
резистора R3.
120
§ 34. ТРИГГЕР НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТРИОДАХ
В § 29 было рассмотрено бесконтактное электронное реле,
действие которого основано иа использовании свойств терми-
стора. Особенностью этого бесконтактного реле является его зна-
чительная инерционность, т. е. необходим определенный проме-
жуток времени для прогрева термистора электрическим током
и установления его термодинамического равновесия с окружаю-
щей средой. В некоторых случаях такая инерционность целе-
сообразна и электронное реле на термисторе используется как
реле времени. Однако в современной автоматике в большинстве
случаев применяются быстродействующие реле. Таким быстро-
действующим бесконтактным электронным реле является, в част-
ности, триггер, в схеме которого (рис. 139) используются два
полупроводниковых триода.
Как видно из схемы, триггер представляет собой два уси-
лителя, соединенных в кольцо: выход первого усилителя соеди-
нен с входом второго и выход второго усилителя соединен с вхо-
дом первого. Кроме того, предусмотрена возможность подачи
внешних сигналов (электрических импульсов) на каждый из
двух входов. Резисторы, показанные на схеме, имеют следующие
назначения: R1 и R2 — нагрузочные резисторы в коллекторных
цепях триодов Т1 и Т2\ rl и rt образуют делитель напряжения,
через который сигнал с выхода левого (по схеме) усилителя
подается на вход правого усилителя; г2 и г2 обеспечивают ана-
логичную связь выхода правого усилителя с входом левого. Схема
является полностью симметричной (/?| = /?2, П=Г2, г> = rz).
Легко увидеть идентичность схемы усилителя, приведенной
на рисунке 128, а (схема с общим эмиттером на триоде р—п—р-ти-
па), и схемы каждого из двух усилителей, входящих в рассмат-
Рис. 139. Схема симметричного триггера с двумя входами
121
Рис. 140. Схема одного из усилителей триггера
Рис. 141. Схема одного из усилителей триггера, приведенная к традиционному
изображению
риваемый триггер (см. рис. 139). Действительно, если в схеме
триггера выделить лишь основные элементы, относящиеся, на-
пример, к левому (по схеме) усилителю (триод, нагрузочный
резистор и источник питания), то схема их соединений выгля-
дит, как показано на рисунке 140. Незначительно изменив распо-
ложение элементов при полном сохранении характера их соеди-
нения, мы приходим к схеме (рис. 141), полностью совпадающей
со схемой, изображенной на рисунке 128, а.
Указанные делители напряжения (rl —rl и г2 — г2) обеспе-
чивают подачу на эмиттеры триодов некоторого начального
положительного потенциала относительно базы, благодаря чему
в коллекторных цепях протекает определенный начальный ток.
Ввиду симметричности схемы можно было бы ожидать, что в от-
сутствие каких-либо внешних сигналов состояние обоих триодов
будет одинаковым. В частности, одинаковой должна быть сила
тока в коллекторных цепях этих триодов.
Однако в действительности состояние триггера, при котором
токи в коллекторных цепях триодов одинаковы, является неустой-
чивым. Случайное незначительное увеличение коллекторного
тока в одном из триодов (вследствие флюктуаций1), например
в левом (по схеме), т. е. в триоде Т1, приведет к увеличению
падения напряжения на нагрузочном резисторе R1 и соответст-
венно уменьшению напряжения на зажимах эмиттер—коллектор
триода Т1. Так как с этих зажимов напряжение поступает на
делитель rl — rl, то произойдет понижение положительного по-
тенциала эмиттера триода Т2 относительно базы этого триода.
В результате сила тока в коллекторной цепи триода Т2 умень-
шится и меньшим станет падение напряжения на нагрузочном
' От латинского fluctuatio — колебание. В данном случае под флюктуацией
понимается случайное отклонение в данный момент времени числа движущихся
в определенном направлении свободных носителей зарядов или их скоростей от
средних значений.
122
сопротивлении R2. Соответственно на промежутке коллектор —
эмиттер триода Т2 напряжение увеличится. Это приведет к увели-
чению напряжения на делителе г2 — г2 и соответственно к увели-
чению положительного потенциала эмиттера триода Т1 относи-
тельно его базы, что вызовет новое увеличение силы тока в цепи
коллектора этого триода, и т. д. Процесс увеличения силы тока
в цепи коллектора триода Т1 и уменьшения силы тока в цепи
коллектора триода Т2 развивается лавинообразно, пока система
не придет в устойчивое состояние, в котором левый триод будет
полностью открыт (сила тока в цепи коллектора достигнет зна-
чения тока насыщения), а правый заперт.
Разумеется, описанный процесс по случайным причинам мог
развиваться в противоположном направлении. Тогда триггер пе-
решел бы в другое устойчивое состояние, в котором левый триод
заперт, а правый полностью открыт. Изложенный процесс пере-
хода триггера в устойчивое состояние можно условно предста-
вить как ряд последовательных шагов, в котором каждый после-
дующий шаг является следствием предыдущего:
— случайное возникновение флюктуации в движении электро-
нов проводимости или дырок в коллекторной цепи триода Т1;
— увеличение силы тока в коллекторной цепи триода ТГ,
— увеличение падения напряжения на нагрузочном резисто-
ре R1;
— уменьшение напряжения на промежутке эмиттер—коллек-
тор триода ТГ,
— уменьшение напряжения на делителе rl — rl и, следова-
тельно, на резисторе гГ,
— понижение потенциала эмиттера триода Т2 относительно
базы этого триода;
— уменьшение силы тока через эмиттерный переход триода
Т2;
— уменьшение тока в цепи коллектора триода Т2;
— уменьшение падения напряжения на нагрузочном резисто-
ре R2;
— увеличение напряжения на делителе г2 — г2 и, следова-
тельно, на резисторе г2;
— повышение потенциала эмиттера триода Т1 относительно
базы этого триода;
— увеличение силы тока через эмиттерный переход трио-
да ТГ,
— дальнейшее увеличение силы тока в коллекторной цепи
триода Т1.
Далее цикл этих шагов повторяется. Приведенное разбитие
процесса перехода триггера из неустойчивого состояния в устой-
чивое на отдельные шаги позволяет лишь лучше представить
себе причинно-следственные связи. Во времени же эти шаги нс
развернуты; они совершаются не один за другим, а одновременно
и причем за очень малый промежуток времени.
123
Итак, триггер имеет два крайних устойчивых состояния: в
одном триод Т1 полностью открыт, а триод Т2 заперт; в другом
же триод Т1 заперт, а триод Т2 открыт. Именно поэтому триггер
представляет собой бесконтактное двухпозиционное реле. Потре-
битель, включенный последовательно в коллекторную цепь лю-
бого из триодов, будет включен в зависимости от того, в каком
из двух крайних состояний находится этот триод — открытом
или закрытом. Переход триггера из одного крайнего состояния
в другое эквивалентен срабатыванию или отпусканию электро-
механического реле (замыканию или размыканию его контактов).
1. Как протекает процесс опрокидывания симметричного триггера?
2. Зависит ли процесс опрокидывания триггера от величины и продолжи-
тельности импульса, поданного иа вход?
3. Может ли триггер оставаться в состоянии, при котором токи в обоих
триодах одинаковы? Какие состояипп триггера являются устойчивыми?
4. Зависит ли опрокидывание триггера с двумя входами от того, иа какой
из входов подан электрический импульс; от полярности импульса (положитель-
ный или отрицательный)?
§ 35. УПРАВЛЕНИЕ ТРИГГЕРОМ КАК БЕСКОНТАКТНЫМ
ЭЛЕКТРОННЫМ РЕЛЕ
Перевод любого реле из одного состояния в другое осущест-
вляется сигналом, подаваемым в цепь управления реле извне.
Поэтому необходимо выяснить, как можно переводить триггер из
одного устойчивого состояния в другое при помощи такого
сигнала.
На схеме триггера, приведенной на рисунке 139, показаны
два входа для внешних электрических сигналов. Через вход 1
внешний сигнал поступает на эмиттериый переход триода Т1, а
через вход 2— на эмиттериый переход триода Т2.
Если триггер находится в устойчивом состоянии, в котором
триод Т1 открыт, а триод Т2 заперт, то перевести его в противо-
положное состояние можно двумя способами: либо подачей че-
рез вход 1 на эмиттериый переход триода Т1 отрицательного
электрического импульса, либо подачей через вход 2 на эмит-
терный переход триода Т2 положительного импульса.
Если же в исходном состоянии триггера триод Т1 был заперт,
а триод Т2 открыт, то в противоположное состояние его можно
перевести с помощью положительного электрического импульса,
подаваемого на вход 1, либо с помощью отрицательного электри-
ческого импульса, подаваемого на вход 2.
В некоторых случаях более удобно управлять триггером через
один общий вход. Тогда оба входа соединяются между собой
(рис. 142). Когда на общий вход поступит импульс, являющийся
для эмиттерных переходов положительным, он, воздействуя на
эмиттерные переходы обоих триодов, не может изменить состоя-
124
-о
142
Рис. 142. Схема симметричного триггера с одним общим входом
ние полностью открытого триода, у которого сила тока в кол-
лекторной цепи уже равна значению тока насыщения. Положи-
тельный нмпульс приведет к возрастанию силы тока в коллек-
торной цепи триода, который был заперт. С этого и начнется
уже рассмотренный выше лавинообразный процесс перехода
триггера в противоположное состояние.
Если же на общий вход будет подан импульс, являющийся
для эмиттерных переходов отрицательным, то он не будет действо-
вать на тот триод, который был заперт. В открытом же триоде
он вызовет уменьшение силы тока в цепи коллектора, и с этого
начнется процесс перехода триггера в противоположное состоя-
ние.
Таким образом, любой импульс — положительный или отри-
цательный, поданный на общий вход, переведет триггер в про-
тивоположное состояние. Если вслед за первым импульсом будет
подан на вход второй импульс, то триггер снова будет переведен
в противоположное состояние, т. е. он, по существу, будет воз-
вращен в исходное состояние, и т. д.
Для того чтобы управление триггером было полностью подобно
управлению электромеханическим реле, необходимо, чтобы у него
было лишь одно устойчивое состояние. Это достигается незначи-
тельным изменением схемы (рис. 143), которое состоит в том, что
в схему вводится дополнительный резистор смещения г. По нему
протекают эмиттерные токи обоих триодов, а также ток делителя
напряжения rl — rl. Падение напряжения на этом резисторе
имеет полярность, отмеченную на схеме. С резистора г напряже-
ние подается на эмиттерный переход только триода Т1. Триггер
в связи с этим стал несимметричным. При включении благодаря
отрицательному смещению, возникающему на эмиттерном пере-
ходе триода Т1, он сразу переходит в состояние, при котором
125
триод Т1 заперт, а триод Т2 полностью открыт. В противопо-
ложное состояние триггер можно перевести, подавая на вход
триода Т1 положительное (для эмиттерного перехода) напря-
жение. Триггер остается в новом состоянии до тех пор, пока это
напряжение поступает на вход. Как только указанное внешнее
напряжение исчезнет, триггер немедленно возвратится в исходное
состояние. Таким образом, рассмотренный несимметричный триг-
гер как бесконтактное электронное реле является полным ана-
логом нейтрального двухпозиционного электромеханического
реле.
Включение потребителя в коллекторную цепь триода Т1 анало-
гично его включению в цепь нормально разомкнутой контактной
пары электромеханического реле, а включение потребителя в кол-
лекторную цепь триода Т2 соответствует использованию нормаль-
но замкнутой контактной пары.
1 1. Как воздействует внешний импульс на триггер, у которого оба входа
объединены в одни общий вход? Зависит ли в этом случае результат воздей-
ствии на триггер внешнего импульса от его полярности (положительной или
отрицательной)?
2. Чем достигается превращение симметричного триггера с двумя устойчи-
выми состояииимн в несимметричный триггер с одним устойчивым состоянием?
3. В чем сходство несимметричного триггера с нейтральным электромагнит-
ным реле? Как осуществлиетси управление несимметричным триггером, исполь-
зуемым в качестве бесконтактного реле?
Задачи
5.1. Если вам доводилось сидеть в автомобиле, который на короткой стоянке
заторможен ручным тормозом, то, наверное, запомнилось, что ирн этом мигает
контрольная лампочка на щитке приборов. Периодическое включение и выклю-
126
чение лампочки осуществляется с помощью электротермического реле-прерыва-
теля, работающего в автоматическом режиме. Начертите возможную схему
устройства и объясните его действие.
5.2. На стабильность работы электротермического реле значительное влияние
оказывает температура окружающей среды. При повышении температуры сра-
батывание происходит ири меньшей силе тока. Предложите способ умень-
шения температурного влияния окружающей среды иа работу электротерми-
ческого биметаллического реле.
5.3. Электротермическое реле обладает большой тепловой инерцией. Укажи-
те область применения таких реле, где бы их значительная тепловая инерция
оказалась положительным свойством и использовалась бы.
5.4. Тепловое действие тока используется в автоматах максимальной токо-
вой защиты. Для того чтобы в электрической цени величина тока не превышала
определенного значения, имеется автомат, основной частью которого является
биметаллическая пластинка 1 (рис. 144). Потребитель 2 (например, электро-
оборудование станка) включен последовательно с проволочным резистором 3
через контактную пару 4. Защелка 5 под действием пружины 6 поворачивается
вокруг оси 7 по часовой стрелке и отключает защищаемую цепь, размыкая
посредством тяги Я контакты 4.
Рассмотрите схему установки и объясните, как с ее помощью происходит
отключение рабочей электрической цепи при увеличении тока выше установлен-
ной нормы. Как изменить предел срабатывания реле?
5.5. Наиболее распространенным видом датчиков температуры явлиетси
терморезистор. Определите, каким будет изменение сопротивления проволочно-
го терморезистора, изготовленного из медной изолированной проволоки дли-
ной 10 м и диаметром 0,05 мм, при изменении температуры от 20 до 100°С.
5.6. Точный контроль за изменением температуры осуществляется в автома-
тике с помощью термистора, включенного в измерительный мост (рис. 145).
Рассчитайте, при какой величине А, ток в обмотке электромагнитного реле К
будет равен нулю.
5.7. Начертите схему пульс-париого устройства иа двух электротермических
реле. Как изменится период такой пульс-пары (увеличится или уменьшится) при
повышении температуры окружающей среды?
5.8. Как следует включить по мостовой схеме два одинаковых терморезистора
или два полупроводниковых термистора для того, чтобы при использовании
Рис. 144. К задаче 5.4
Рис. 145. К задаче 5.6
127
одного из них в качестве датчика тем-
пературы контролируемой среды всегда
происходило измерение лишь повыше-
ния температуры этой среды над тем-
пературой окружающего воздуха? Ка-
кими ири этом должны быть сопро-
тивлении остальных двух резисторов
мостовой схемы?
5.9. На рисунке 146 изображена
вольт-амперная характеристика терми-
стора. Произведите расчет стабилиза-
тора напряжения иа этом термисторе:
а) определите рабочую точку;
б) определите значение стабилизи-
рованного напряжения;
в) определите сопротивление ком-
пенсирующего резистора;
г) определите сопротивление гасящего резистора;
д) определите границы колебаний сетевого напряжения, при которых данный
стабилизатор будет поддерживать напряжение постоянным иа нагрузке.
Номинальное значение сетевого напряжения равно 220 В. Сила тока в на-
грузке равна 0,5 А.
5.10. Рассчитайте сопротивление R гасящего резистора стабилизатора на-
пряжения, схема которого приведена иа рисунке 122, по следующим данным:
пробивное (обратное) напряжение полупроводникового диода раино 100 В; иа-
прижеиие в сети 220 В; сила тока, потреблиемая нагрузкой, равна 0,6 А; напря-
жение иа нагрузке — 100 В. Расчет вести при условии, что колебания напря-
жения в сети не превосходят 10% от номинального напряжения.
5.11. На вход усилителя (рис. 147) поступает отрицательный импульс. Как
следует включить полупроводниковый диод, чтобы получить иа иыходе только
положительный импульс; только отрицательный импульс? Объисиите процесс
образования импульсов иа выходе.
5.12. Начертите схемы усилителей на полупроводниковом триоде р—п—р-ти-
иа: а) с общей базой; б) с общим эмиттером. Сравните получаемые коэффициенты
усиления: а) по току; б) по иаприжеиию.
128
5.13. Батарея гальванических элементов имеет внутреннее сопротивление
г = 10 Ом. Каким должно быть значение сопротивления нагрузки R, чтобы мощ-
ность в нагрузке была максимальной? Решив эту задачу, обоснуйте по аналогии,
почему мощность в нагрузке транзисторного усилителя максимальна, если со-
противление нагрузки равно обратному сопротивлению коллекторного перехода
(см. § 31).
5.14. Начертите схему триггера и изобразите при этом, как можно включить
нагрузку непосредственно в коллекторную цепь одного из его триодов. Дополни-
те схему усилителем на транзисторе и изобразите способ подключения нагрузки
к этому усилителю.
5.15. Начертите схему триггера и дополните ее дифференцирующей R—С-
цепочкой и диодом для получения на выходе положительных импульсов. При
каком изменении в схеме на выходе получаются отрицательные импульсы?
5.16. Как можно резистор смещения в схеме несимметричного триггера
с одним устойчивым состоянием (см. рис. 143) заменить батареей гальвани-
ческих элементов? Изобразите способ включения батареи на схеме.
5.17. На основе использования электронных ключей разработайте схему
устройства, которое обеспечивало бы пропускание импульсов напряжения, вы-
сота которых (амплитуда) больше некоторого заданного значения, и подавле-
ние импульсов, меньших этого значения. Такое устройство называется селекто-
ром' импульсов. В автоматике такие селекторы импульсов служат для огражде-
ния устройств, управляемых с помощью электрических импульсов, от ложных
срабатываний, которые могут быть результатом различных помех. Селектор
эти помехи не пропускает.
Практические работы
Работа 12. Изучение электротермического реле
Приборы и материалы: пластинка биметаллическая [13| —
2 шт., штатив лабораторный, источник питания лабораторный,
катушка проволочная с сердечником, детали для сборки электро-
магнита [17], электрическая лампа на подставке, соединительные
провода, источник тока ВСА = 24, реостат, ключ, проволока из
нихрома, бумага асбестовая.
Ход работы
1. Изучите устройство электротермического реле, соберите его
из данного оборудования и ознакомьтесь с его параметрами и
способом регулировки.
2. Начертите схему и соберите цепь управления условным
потребителем при помощи электротермического реле. Определите
время запаздывания включения потребителя.
3. Разработайте схему другого варианта управления потре-
бителем с помощью электротермического реле: потребитель
' От латинского selectio — отбор. В данном случае речь идет об ампли-
тудном селекторе. Вообще же возможны селекторы, отбирающие импульсы и по
другим параметрам.
5. 3;jk. 1990,3. М. Речников 129
должен автоматически выключаться через определенный проме-
жуток времени после включения. Соберите по схеме соответ-
ствующую цепь и испытайте ее в действии.
4. Произведите регулировку реле, добиваясь максимального
значения времени задержки.
5. Включите электротермические реле в цепь условного потре-
бителя по схеме периодического прерывателя (рис. 148). Прове-
дите наблюдение за действием такого прерывателя и объясните
процессы, протекающие за один период.
Работа 13. Градуировка полупроводникового термистора
в качестве датчика температуры
Приборы и материалы: полупроводниковый термистор [20],
набор резисторов [9, 10, 111, милливольтметр, соединительные
провода, термометр лабораторный, электрическая плитка, сосуд
с водой, источник питания для практикума.
Ход работы
1. Ознакомьтесь с устройством термистора, его параметрами
и способом подключения.
2. Начертите мостовую схему включения термистора. Выпол-
ните соединения в соответствии с этой схемой.
3. Проведите наблюдение за влиянием сопротивления пере-
менного резистора на показания милливольтметра. Установите с
помощью переменного резистора нулевое показание прибора.
Зафиксируйте температуру воздуха в помещении.
4. Погрузив термистор в сосуд с водой и произведя нагре-
вание последней при помощи электрической плитки, зафиксируй-
те показания милливольтметра, соответствующие различным
показаниям термометра. Результаты наблюдений занесите в
таблицу:
Температура, 0°С 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Напряжение, мВ 0
5. По данным таблицы начертите градуировочный график
зависимости напряжения U от температуры /.
Работа 14. Сборка и испытание стабилизатора напряжения
Вариант 1
Сборка и испытание стабилизатора напряжения на полупро-
водниковом термисторе.
Приборы и материалы: полупроводниковый термистор |20|,
вольт-амперная характеристика и технические данные термисто-
130
ра, набор резисторов |9, 10, 11|, соединительные провода, вольт-
метры — 2 шт., реостат ползунковый, потребитель стабилизиро-
ванного напряжения, источник питания.
Ход работы
1. Начертите схему стабилизатора. На схеме изобразите
способ подключения на выходе стабилизатора потребителя ста-
билизированного напряжения, а также вольтметров на входе и
выходе стабилизатора.
2. По вольт-амперной характеристике термистора определите
рабочую точку, углбвой коэффициент (tga) прямолинейной
(рабочей) части падающего участка характеристики и границы
этого участка.
3. Рассчитайте значения сопротивлений компенсирующего и
гасящего резисторов.
4. Рассчитайте границы изменения напряжения на входе ста-
билизатора, в которых осуществляется стабилизация.
5. Произведите испытание стабилизатора, т. е., изменяя с по-
мощью потенциометра входное напряжение в указанных (см. п. 4)
границах, проследите за показаниями вольтметра на выходе
стабилизатора (напряжение на выходе должно при этом оста-
ваться постоянным).
Вариант 2
Сборка и испытание стабилизатора напряжения на полупро-
водниковом диоде.
Приборы и материалы: полупроводниковый диод (его техни-
ческие данные, вольт-амперная характеристика) и приборы и ма-
териалы из варианта 1, исключая термистор.
Ход работы
1. Начертите схему стабилизатора. Изобразите при этом спо-
соб подключения потребителя и вольтметров на входе и выходе
стабилизатора.
2. По вольт-амперной характеристике диода определите про-
бивное напряжение, которое будет стабилизируемым. Рабочий
ток диода выберите равным половине максимального значения
его обратного тока.
3. Определите номинальный ток в цепи потребителя.
4. Рассчитайте значение сопротивления гасящего резистора.
5. Рассчитайте границы колебаний входного напряжения, в
которых будет происходить стабилизация.
6. Произведите испытание стабилизатора: изменяя напряже-
ния на входе в указанных (см. п. 5) границах, проследите за по-
казаниями вольтметра на выходе (напряжение на выходе должно
оставаться постоянным).
i.3l
Работа 15. Сборка и испытание усилителя напряжения
на полупроводниковом триоде
Вариант 1
Сборка и испытание усилителя постоянного тока на бипо-
лярном транзисторе.
Приборы и материалы: биполярный полупроводниковый триод
[9, 10], набор резисторов [9, 10|, источник питания для практи-
кума, высокоомный вольтметр, соединительные провода.
Ход работы
1. Ознакомьтесь с техническими параметрами и цоколевкой
полупроводникового триода.
2. Соберите усилитель по схеме с общим эмиттером (рис. 149).
3. Измерьте напряжение на входе и изменение напряжения
на нагрузочном резисторе. Определите коэффициент усиления по
напряжению.
4. Убедитесь (путем переключения вольтметра), что изменение
напряжения на нагрузочном резисторе равно изменению напря-
жения между выводами коллектора и эмиттера триода.
Вариант 2
Рис. 149. К практической работе 15
Сборка и испытание усилителя постоянного тока на полевом
транзисторе.
Приборы и материалы: полевой транзистор типа КП-302В*
(с каналом л-типа), нейтральное электромагнитное реле2, источ-
ники тока, потенциометр на 200 Ом, потребитель для включения
через контакты нейтрального реле, соединительные провода.
Ход работы
1. Начертите схему усилите-
ля постоянного тока с общим
истоком на полевом транзисто-
ре. Нагрузкой в цепи стока слу-
жит катушка электромагнитно-
го реле, а регулируемый поло-
жительный потенциал подается
на затвор потенциометра.
2. Соберите установку.
3. Определите, при каких
значениях напряжения проис-
ходит срабатывание и отпуска-
ние реле.
1 Для транзистора этого типа напряжение источника в цепи стока равно
9 в-.
‘ Сопротивление обмотки реле ие более 500 Ом, а ток срабатывания ие бо-
лее 10 мА.
132
Работа 16. Сборка и испытание симметричного триггера
на полупроводниковых триодах
Приборы и материалы: триоды и набор резисторов |9, 10, 111,
схема триггера (на панели) с указанием номиналов для
всех деталей, источник питания для практикума, реостат пол-
зунковый, ключ, соединительные провода, милливольтмет-
ры — 2 шт.
Ход работы
1. Соберите триггер по схеме, представленной на рисунке
150 (в коллекторные цепи параллельно нагрузочным резисторам
включить стрелочные индикаторы).
2. Соберите цепь источника электрических импульсов (рис.
151).
3. Проведите наблюдения за опрокидыванием триггера при
подаче положительных импульсов поочередно то на один, то на
другой из входов триггера.
4. Аналогичные наблюдения (см. п. 3) проведите при подаче
на входы отрицательных импульсов.
133
Работа 17. Сборка несимметричного триггера
с одним устойчивым состоянием и его испытание
в качестве бесконтактного реле
Приборы и материалы- триоды и набор резисторов |9, 10, 11] ,
[9, 10, 11], источник питания для практикума, реостат ползун-
ковый, ключ, кнопка, соединительные провода, миллиамперметр.
Ход работы
I. Соберите триггер по схеме, представленной на рисунке 152.
В качестве потребителя, управляемого с помощью этого бес-
контактного реле, включите миллиамперметр.
2. Соберите цепь источника электрических импульсов
(см. рис. 151).
3. Проведите наблюдения за срабатыванием данного бескон-
тактного реле при подаче на вход положительного напряжения.
При срабатывании реле должно наблюдаться исчезновение тока
в нагрузке, что аналогично срабатыванию электромеханического
реле с нормально замкнутыми контактами. При исчезновении
положительного напряжения на входе происходит отпускание
реле, и в нагрузке появляется ток.
Вопрос: как следует включить нагрузку, чтобы действие этого
бесконтактного реле было сходно с работой электромеханического
реле с нормально разомкнутыми контактами? Ответ проверьте
путем испытания установки.
ГЛАВА 6
НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВАХ
ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
§ 36. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССОРАХ
И ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
Управление сложными современными автоматизированными
производственными системами основывается на использовании
процессоров и электронных вычислительных машин (ЭВМ), ко-
торые обрабатывают разнообразную информацию о протекании
технологического процесса, сопоставляют полученные результаты
с нормативными и выдают сигналы управления. Последние при-
водят в действие соответствующие органы управления, корректи-
рующие технологический процесс.
Разумеется, функции ЭВМ в современном обществе не сводят-
ся только к управлению производственными процессами. ЭВМ
широко применяются в науке и при проектировании различных
установок, выполняющих сложные и громоздкие вычисления.
ЭВМ используются также для решения разнообразных логи-
ческих задач. Таким образом, с их помощью осуществляется
механизация такого умственного труда, который поддается фор-
мализации.
В области управления производственными установками и
системами наиболее широко применяются процессоры — простей-
шие электронно-вычислительные устройства, предназначенные
для обработки той или иной информации путем выполнения
арифметических или логических операций. В настоящее время
процессоры изготовляют на базе интегральных микросхем (ИМС).
В этом случае процессоры получаются весьма компактными,
малогабаритными, из-за чего их назвали микропроцессорами.
Волее того, широкое распространение получили микропроцессо-
ры, выполненные в одном кристалле, хотя схема такого микро-
процессора довольно сложна (одних транзисторов несколько
тысяч).
Микропроцессоры удобны тем, что они могут быть вмонтиро-
ваны в автоматические устройства управления станками, техно-
логическими линиями, автомобилями, телевизорами и т. п. При
таком использовании микропроцессоров поступление в них ин-
формации о процессах в управляемой системе, подлежащей
обработке, и вывод результатов обработки информации в форме
сигналов, поступающих к органам управления, происходят авто-
матически, т. е. без вмешательства человека. Устройствами
135
153
Рис. 153. Упрощенная (структурная) схема вычислительной микропроцессорной
системы
ввода-вывода информации служат специальные каналы связи с
объектом и органами управления соответственно.
Основными частями самого микропроцессора являются: ариф-
метико-логическое устройство (АЛУ), запоминающее устройство
(ЗУ) и устройство управления» (УУ). Структурная схема вычи-
слительной микропроцессорной системы приведена на рисун-
ке 153 (сплошными линиями со стрелками показаны пути движе-
ния информации, а штриховыми—пути передачи команд управ-
ления).
АЛУ выполняет арифметические и логические операции над
исходными данными в соответствии с заданной программой.
Важнейшей частью устройства управления является тактовый
генератор. Вырабатываемые им импульсы воздействуют на все
узлы системы и обеспечивают- их синхронное периодическое сра-
батывание. Каждый импульс продвигает выполнение заданной
программы на некоторый шаг, или, как говорят, на один такт.
От частоты следования тактовых импульсов зависит быстро-
действие электронной вычислительной системы. В современных
вычислительных микропроцессорных системах эта частота состав-
ляет величину порядка десяти миллионов импульсов в секунду.
Операция же сложения двух чисел с выдачей результата в запо-
минающее устройство осуществляется за 20...30 тактов. Это зна-
чит, что быстродействие системы составляет сотни тысяч опера-
ций в секунду.
Что касается запоминающих устройств, то в любом микро-
процессе и в любой ЭВМ их имеется два: оперативное, или
внутреннее, запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное, или
внешнее, запоминающее устройство (ПЗУ).
Оперативное запоминающее устройство состоит, как правило,
। :и>
из таких же быстродействующих электронных элементов, что и
арифметико-логическое устройство. Объем памяти этого запоми-
нающего устройства невелик, но достаточен для хранения во
время выполнения тех или иных действий исходных данных,
программы и полученных результатов (промежуточных и оконча-
тельных) .
После выключения питания процессора или ЭВМ электрон-
ные элементы ОЗУ приходят в исходное состояние и вся ин-
формация оказывается стертой.
Постоянное запоминающее устройство работает так, что
зафиксированная в ПЗУ информация сохраняется и после вы-
ключения питания.
Объем памяти ПЗУ значительно больше объема памяти ОЗУ.
В ПЗУ хранятся различные программы и данные, относящиеся
к управлению работой вычислительной системы.
Заметим, что датчики выдают информацию в так называемой
аналоговой форме — обычно в форме электрического сигнала
(тока или напряжения), изменение которого является моделью
изменения той или иной характеристики контролируемого объекта.
Прежде чем такую информацию ввести в цифровой микропро-
цессор, ее необходимо перевести в цифровую форму. Это осу-
ществляется с помощью так называемых аналого-цифровых
преобразователей (АЦП).
С другой стороны, результаты обработки информации микро-
процессорами имеют цифровую форму, в то время как автомати-
ческая управляющая система должна выдать сигнал управления
в аналоговой форме, т. е. в виде определенного электрического
тока либо напряжения, которые после соответствующего усиле-
ния смогли бы привести в действие исполнительные органы.
Превращение цифровых результатов, выдаваемых микропроцес-
сорами, в аналоговые сигналы осуществляется с помощью цифро-
во-аналоговых преобразователей (ЦАП)1 11.
В тех случаях, когда микропроцессоры используются для ре-
шения задач, связанных с интеллектуальной деятельностью че-
ловека, они входят в качестве основной части в состав электрон-
ного блока более сложной вычислительной системы, называемой
микроЭВМ. В такую систему, кроме электронного блока, могут
входить также дисплей, клавиатура, печатающее устройство
(рис. 154). Электронный блок, кроме микропроцессоров, содер-
жит запоминающие устройства ввода и вывода информации. С
помощью клавиатуры в электронную память микроЭВМ вводятся
закодированные в виде определенных серий электрических им-
пульсов знаки (буквы, цифры, знаки управления). Полученные
текстовые, цифровые, графические результаты выводятся на
1 Устройство и действие АЦП, ЦАП и ПЗУ будут рассмотрены во второй
части данного факультативного курса, предназначенного для изучения в
11 классе.
137
154
Рис. 154. Вычислительная микропроцессорная система (1 — электронный блок;
2 — дисплей; 3 — клавиатура; 4 — печатающее устройство)
дисплей либо на бумагу с помощью печатающего устройства
или графопостроителя.
На использовании микропроцессоров и микроЭВМ в производ-
ственных автоматизированных установках и системах основан
переход к гибким автоматическим производствам. Перевод та-
ких производств на выпуск новых образцов продукции сводится
к введению в соответствующие микропроцессоры и микроЭВМ
новых программ. Это, разумеется, требует меньше времени, тру-
да и затрат, чем проектирование и изготовление новых видов
оборудования.
В последующих параграфах данной главы мы рассмотрим,
как практически на основе различных физических явлений и
закономерностей действуют элементы оперативного запоминаю-
щего устройства и арифметико-логического устройства.
I. Что такое процессор?
2. Чем отличается микропроцессор управления от микропроцессорной вы-
числительной системы?
3. Поясните по структурной схеме функциональное назначение различных
узлов микропроцессорной вычислительной системы. В чем состоит назначение
тактового генератора?
4. В чем состоит различие между оперативным и постоянным запоминающими
устройствами ЭВМ?
138
$ 37. ПОНЯТИЕ О ДВОИЧНОЙ СИСТЕМЕ СЧИСЛЕНИЯ
И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
МАШИНАХ
Любая информация для обработки с помощью цифровых
ЭВМ кодируется в числовой форме. Именно в форме чисел инфор-
мация вводится в запоминающее устройство, обрабатывается
арифметическим устройством и выдается через блок вывода
информации. Сами же числа в ЭВМ кодируются соответствую-
щими электрическими сигналами, например импульсами напря-
жения или тока.
В повседневной жизни, в науке, технике, производстве поль-
зуются почти исключительно десятичной системой счисления.
В этой системе в каждом разряде числа могут быть цифры раз-
личного достоинства от 0 до 9. Если каждый разряд данного
числа кодировать с помощью импульсов напряжения или силы
тока, то для обеспечения необходимой точности и надежности
действия ЭВМ потребуется высокая стабилизация питающего
напряжения, а также высокая стабильность физических свойств
всех элементов, из которых состоит ЭВМ. Если первое условие
может быть выполнено путем применения стабилизаторов на-
пряжения высокого качества, то выполнить второе условие прак-
тически невозможно, особенно если учесть, что ЭВМ состоит
из огромного числа элементов, к тому же весьма разнообразных
(резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов и др.). Па-
раметры этих элементов зависят от различных факторов (тем-
пературы, влажности) и, кроме того, претерпевают изменения со
временем (стареют).
В связи с вышеизложенным кодирование разных цифр, пред-
ставляющих разряды чисел, импульсами напряжения или тока
различной величины оказывается ненадежным. При таком коди-
ровании не может быть обеспечена необходимая точность и на-
дежность выдаваемых ЭВМ результатов.
Указанные трудности кодирования чисел устраняются, если
пользоваться двоичной системой счисления.
Суть этой системы состоит в том, что, во-первых, в каждом
разряде могут быть лишь две цифры — нуль или единица, и,
во-вторых, достоинство каждой единицы следующего разряда
равно двум единицам предыдущего. В первом разряде достоин-
ство каждой единицы можно записать как 2° = 1, во втором раз-
ряде — 2* =2, в третьем — 22=4, в п-м разряде достоинство каж-
дой единицы запишется как 2" Так, записанное в двоичной
системе пятиразрядное число содержит 2°4-21+0+0+24= 19 еди-
ниц.
При кодировании чисел, выраженных в двоичной системе,
приходится иметь дело лишь с двумя возможными цифрами в
каждом разряде — 0 или /. Цифра 0 кодируется отсутствием
импульса, а цифра 1— наличием импульса. Понятно, что в этом
139
случае величина импульсов значения не имеет; важно лишь на-
личие или полное отсутствие импульса. В связи с этим колебания
питающего напряжения и естественные изменения параметров
элементов схемы, от которых может зависеть высота импульсов,
не влияют на надежность и точность получаемых результатов.
Основные блоки ЭВМ при использовании двоичной системы
счисления строятся на элементах, имеющих два крайних поло-
жения (двухпозиционные реле, магнитные элементы и др.). Та-
ким элементом является, в частности, уже знакомый вам триггер.
Э I. Почему нецелесообразно использовать в ЭВМ десятичную систему
счисления?
2. В чем состоят отличия двоичной системы счисления от десятичной?
3. Приведите примеры чисел, записанных в двоичной системе счисления.
Определите достоинство каждого из этих чисел в десятичной системе счисления.
4. Почему применение в ЭВМ двоичной системы счисления повышает их
точность (надежность результатов)?
5. Как кодируются в ЭВМ числа, выраженные в двоичной системе счисления?
$ 38. ТРИГГЕР КАК ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРОННОЙ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
Для построения ячеек запоминающего и арифметико-логи-
ческого устройств ЭВМ могут быть использованы симметричные
триггеры с общим входом, схема которых представлена на ри-
сунке 142. Такой триггер имеет два устойчивых состояния, и лю-
бой импульс (положительный или отрицательный), поданный на
вход триггера, производит его опрокидывание, т. е. переводит его
в противоположное устойчивое состояние. При этом важно, что
протекание процесса опрокидывания триггера не зависит от вели-
чины и длительности пускового импульса. Последний служит
лишь толчком, вызывающим начало процесса опрокидывания,
который далее развивается самостоятельно. Следовательно, зна-
чение имеет лишь факт наличия или отсутствия импульса.
Однако для использования таких триггеров в ячейках запо-
минающих или арифметико-логических устройств в их схему
вносятся дополнения (рис. 155).
Одним таким дополнением к схеме является введение полу-
проводниковых диодов Di и D2, включенных на входах обоих
транзисторов таким образом, что они пропускают на базы обоих
триодов только отрицательные импульсы. Такие импульсы по-
вышают потенциал эмиттера относительно базы. Поэтому они не
действуют на открытый триод ’. Но запертый триод они отпирают;
в нем начинает увеличиваться коллекторный ток, и это служит
началом процесса опрокидывания триггера. Таким образом, в
работу триггера диоды Di и Dz не вносят ничего нового, кроме
Здесь и далее изложение ведется применительно к триодам р—п—р-типа.
ПО
govg
Рис. 155. Схема счетного триггера
того, что на базы триодов не могут поступать извне положитель-
ные импульсы.
Вторым дополнением к ранее рассмотренной схеме триггера
является вход Гашение, в который включен диод D3. Через
этот диод отрицательный импульс сможет поступить на базу только
триода Т2 (на триод Т1 его не пропустит диод D2). Такой импульс
не произведет никакого действия, если триггер находился в
состоянии, при котором триод Т2 был открыт, а триод Т1 был за-
перт,— это состояние триггера будем считать начальным. Если
же триггер находился в противоположном состоянии (триод Т2
заперт, а триод Т1 открыт), которое мы будем называть рабочим,
то отрицательный импульс гашения непременно переведет триг-
гер в начальное состояние. Итак, отрицательный импульс, по-
данный на вход гашения, переводит триггер в начальное со-
стояние; такой же импульс, поданный затем на основной вход,
переводит триггер в рабочее состояние.
Наконец, третьим существенным дополнением к схеме тригге-
ра является введение в эту схему вывода Выход от коллектора
триода Т1 через конденсатор С. При переходе триггера из на-
чального состояния в рабочее триод Т1 отпирается и потенциал
коллекторного вывода этого триода повышается. Это значит,
что разность потенциалов между коллектором триода Т.1 и общей
шиной уменьшается. Поэтому конденсатор С начнет разряжаться
через резистор R и триод Т1. По резистору R пройдет кратко-
временный импульс разрядного тока, и на нем образуется импульс
напряжения. На выходе получится положительный импульс на-
пряжения, относительно Общей шины.
Если же триггер под действием отрицательного импульса
гашения или следующего отрицательного импульса, поданного
на основной вход, перейдет из рабочего состояния в начальное,
ьн
Рис. 15(5. Схема использования
/?- -С-иепочки для образования
электрических импульсов
то триод Т1 запирается и потен-
циал его коллекторного вывода
резко понижается. Поэтому
конденсатор С будет* заряжать-
ся через резисторы k и R1. При
этом за счет протекания заряд-
ного тока на резисторе R обра-
зуется падение напряжения, а
на выходном зажиме отрица-
тельный (относительно общей
шины) импульс ; потенциала.
Конденсатор, предназначен-
ный для образования импульса
тока в цепи при его разрядке
или зарядке вследствие быстро-
го изменения напряжения источника, называется дифференцирую-
щим конденсатором.
Рассмотрим процесс образования разрядных и зарядных им-
пульсов тока подробнее. На рисунке 156 приведена схема соот-
ветствующей цепи. С потенциометра П напряжение подается на
цепь, состоящую из конденсатора С и резистора /?, соединенных
последовательно. Напряжение на конденсаторе равно напряже-
нию,. которое снимается с потенциометра.
Если быстрым движением немного сместить ползун потенцио-
метра вниз (по схеме), то снимаемое с потенциометра напря-
жение U скачком уменьшится (рис. 157, а) и конденсатор начнет
разряжаться через резистор R и нижнюю (по схеме) часть по-
тенциометра. Разрядный ток конденсатора носящий характер
кратковременного импульса, будет направлен, как показано стрел-
Рис. 157. К процессу образования разрядных импульсов
Рис. 158. К процессу образования зарядных импульсов
1-12
кой на схеме. Снимаемый с резистора R импульс потенциала
(рис, 157, б) будет положительным относительно общей шины.
Если же ползун потенциометра быстрым движением сместить
вверх, тЬ напряжение U, снимаемое с потенциометра скачком,
увеличится (рис. 158, а). При этом по резистору R в обратном
направлении будет протекать импульс зарядного тока кон-
денсатора, а с резистора R будет снят отрицательный относи-
тельно обшей шины импульс потенциала (рис. 158, б). Продол-
жительность импульсов разрядного и зарядного токов конден-
сатора определяется быстротой изменения напряжения и постоян-
ной времени т цепей разрядки и зарядки конденсатора ’.
Теперь/ продолжим разговор о назначении триггера в ЭВМ.
Если Параллельно нагрузочному резистору R1 триода Т1 под-
ключить неоновую лампу Н (см. рис. 155), рассчитанную на
соответствующее напряжение, то она будет гореть, когда триггер
находится в рабочем состоянии. При переходе триггера в на-
чальное состояние эта лампа погаснет.
Триггеры, построенные по рассмотренной в этом параграфе
схеме, пригодны для создания на них элементов запоминающего
устройства ЭВМ.
О 1. Какое свойство триггера является основным для его использования в ЭВМ?
2. Каково назначение входа Гашение у триггера, предназначенного для
использования в ЭВМ?
3. Каково назначение диодов DI, D2 и D3 в схеме триггера?
4. Какую функцию выполняет иа выходе триггера дифференцирующая ячей-
ка, состоящая из конденсатора С н резистора R?
5. В чем различие между импульсами, которые получаются на выходе
триггера при его переходах из рабочего состояния в начальное и из начального
в рабочее?
§ 39. ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭВМ НА ТРИГГЕРАХ
Вы уже знаете, что в ЭВМ используется двоичная система
счисления, в которой в каждом разряде числа может быть од-
на из двух цифр—0 или /, причем эт«' цифры кодируются
отсутствием электрического импульса или его наличием соответ-
ственно.
Очевидно, что для запоминания одного разряда числа доста-
точно одного триггера, на вход которого это число подается в
закодированном виде как отсутствие или наличие отрицательного
импульса. Если триггер был предварительно приведен в начальное
состояние, то после подачи на его вход одноразрядного числа он
либо останется в этом состоянии, либо перейдет в рабочее со-
стояние. Приобретенное состояние триггер будет сохранять не-
О постоянной времени т зарядки и разрядки конденсатора см. § 11.
143
системе счисления
ограниченно долго т. е. таким образом осуществляется запо-
минание цифры.
Как заставить триггер выдать хранящееся в нем число (О или
/)? Для этого достаточно подать на вход гашения отрицательный
импульс. Если триггер находился в исходном состоянии (хранил
число 0), то он в этом состоянии и останется. На выходе триг-
гера импульс не появится, т. е. триггер выдаст число 0. Если же
триггер находился в рабочем состоянии (хранил число /), то
отрицательный импульс, поданный на вход гашения, вызовет
опрокидывание триггера, его переход в начальное состояние.
При этом на выходе появится отрицательный импульс напряжения,
который может использоваться в качестве сигнала, кодирующего
считанное число /. Итак, триггер можно использовать как элемент
памяти, способный зафиксировать и хранить одноразрядное
число (0 или /), поданное на основной вход в закодированной
форме (в форме отсутствия или наличия отрицательного им-
пульса). Из триггера также легко может быть извлечена хра-
нящаяся в нем информация (считывание).
Из нескольких триггеров можно составить элемент памяти
(регистр), способный зафиксировать и хранить многоразрядное
число, выраженное в двоичной системе счисления. Действие та-
кого элемента памяти мы рассмотрим применительно к случаю,
когда количество единиц вводимого в него числа подается в форме
такого же числа отрицательных электрических импульсов, сле-
дующих друг за другом1 2. В производственных условиях это
соответствует случаю, когда в память ЭВМ вводятся числа ка-
ких-то материальных объектов, каждый из которых, проходя по
конвейеру, воздействует, например, на контактный датчик, а
последний посылает импульс электрического напряжения.
1 Пока не будет выключено питание.
2 Такой способ представления закодированного числа соответствует выра-
жению этого числа в бесконечной системе счисления. При фиксировании его
рассматриваемым элементом памяти происходит перевод этого числа нз беско-
нечной системы счисления в двоичную.
Для получения элемента памяти, способного зафиксировать
и хранить «-разрядное число, необходимо соединить между собой
последовательно п триггеров: выходные зажимы каждого пре-
дыдущего триггера соединяются с входными зажимами после-
дующего, а все входы гашения соединяются между собой в общий
вход гашения (рис. 159). Такое устройство представляет собой
счетчик импульсов в двоичной системе счисления.
Проследим, например, как будет таким многоразрядным эле-
ментом памяти зафиксировано число, которое в двоичной системе
счисления записывается как 0111. Так как в десятичной системе
счисления достоинство этого числа будет 2°4-2'4-22= 14-24-4=7,
то на вход рассматриваемого многоразрядного элемента памяти
поступит последовательно 7 отрицательных импульсов. Предпо-
лагается, что предварительно подачей импульса гашения все
триггеры были переведены в начальное состояние.
Первый импульс переводит первый триггер в рабочее состоя-
ние. При этом на выходе этого триггера появляется положи-
тельный импульс, который входные диоды второго триггера не
пропустит. Поэтому второй и последующие триггеры останутся в
начальном состоянии. Итак, окажется зафиксированным число
0001 (в двоичной системе счисления).
При поступлении второго импульса первый триггер будет
опрокинут и перейдет в начальное состояние. При этом его
триод Т1 закроется и на выходе первого триггера появится отри-
цательный импульс, который будет пропущен входными диодами
второго триггера. Благодаря этому второй триггер перейдет в
рабочее состояние, а на его выходе появится положительный
импульс, который входными диодами третьего триггера не будет
пропущен. Следовательно, третий и последующие триггеры оста-
нутся в начальном состоянии. Что касается первых двух триг-
геров, то после поступления двух импульсов первый будет на-
ходиться в начальном состоянии, а второй — в рабочем. Это
значит, что зафиксированным оказалось число 0010 (в двоичной
системе счисления).
Третий импульс, поступив на вход устройства, опрокинет
первый триггер и переведет его в рабочее состояние. При этом на
выходе этого триггера появится положительный импульс, кото-
рый не будет пропущен входными диодами второго триггера.
Следовательно, после третьего импульса первый и второй тригге-
ры будут находиться в рабочем состоянии, а все последующие —
в начальном. Это значит, что зафиксированным оказалось число
ООН (в двоичной системе счисления).
Четвертый импульс переведет первый триггер из рабочего
состояния в начальное. На выходе этого триггера появится от-
рицательный импульс, который входными диодами второго триг-
гера будет пропущен. В результате этого второй триггер тоже
перейдет из рабочего состояния в начальное. На выходе второго
триггера появится при этом отрицательный импульс, который
145
будет пропущен входными диодами третьего триггера. Этот им-
пульс опрокинет третий триггер и переведет его из начального
в рабочее состояние. На выходе этого триггера появится по-
ложительный импульс, который входными диодами четвертого
триггера не будет пропущен. Поэтому после поступления четвер-
того импульса первый и второй триггеры будут находиться в
начальном состоянии, третий триггер — в рабочем состоянии,
а все остальные триггеры — в начальном. Это значит, что зафик-
сированным окажется число 0100 (в двоичной системе счисления).
Последующие изменения состояния рассматриваемого много-
разрядного запоминающего устройства (элемента машинной па-
мяти) можно проследить по таблице 39.1.
Т а б л и ц а 39. I
Число поступив- ших импульсов (в десятичной системе счисления) Состояние триггеров1 Зафиксированное число в двоичной системе счисления
Тр. Тр. 4 Тр. 3 Тр. 2 Тр. 1
1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ® ® ф ф 0 ф ® 0 0 ф ф ф 0 ф 0 ф 0 ф 0001 0010 ООН 0100 0101 оно 0111
1 Здесь Припяти следующие условные обозначения: 0 - триггер находится и пач ял ином состоя нии; ф - триггер находится в рабочем состоянии.
После поступления семи импульсов первые три триггера будут
находиться в рабочем состоянии, а остальные — в начальном.
При этом зафиксированным окажется число 0111 (в двоичной
системе счисления).
Легко видеть, что фиксирование любого числа происходит
поразрядно. Каждому разряду соответствует определенный
триггер. Начальное состояние триггера моделирует цифру 0 дан-
ного разряда, а рабочее состояние — цифру 1.
По существу рассмотренное устройство представляет собой
счетчик импульсов. В качестве элемента памяти ЭВМ счетчик
импульсов может применяться лишь в тех случаях, когда вво-
димое в память число является результатом последовательного
счета предметов.
Для считывания числа, хранящегося в таком элементе па-
мяти, достаточно подать на вход гашения один отрицательный
импульс. При этом все триггеры, находящиеся в рабочем со-
стоянии, перейдут в начальное состояние и выдадут по отрица-
тельному импульсу, а триггеры, находящиеся в начальном со-
146
стоянии, в нем и останутся. Выданные при считывании импульсы
могут поступить, например, в арифметическое устройство. В этом
может состоять выдача из памяти машины определенной инфор-
мации, закодированной числом, в другой ее блок.
Элементы памяти на триггерах отличаются высоким быстро-
действием и используются в оперативных запоминающих устрой-
ствах ЭВМ; информация хранится в них, лишь пока включено
питание. После выключения питания хранение информации пре-
кращается.
Как уже было отмечено в § 36, в постоянном запоминающем
устройстве ЭВМ применяются в большинстве магнитные элементы
памяти. В этом случае состоянием размагниченности кодиру-
ется цифра 0, а состоянием намагниченности — цифра /. С раз-
личными системами памяти, основанными на использовании маг-
нитных элементов, вы подробнее познакомитесь на занятиях по
прикладной физике в XI классе.
Э 1. В чем состоит запоминание триггером значений 0 и 1 одноразрядного
числа в двоичной системе счисления?
2. Как осуществляется считывание одноразрядного числа, хранищегося в
триггере?
3. Начертите структурную схему ячейки машинной памяти на триггерах,
способной зафиксировать многоразрядное число.
4. Как многоразрядная ячейка памяти приводится в начальное состояние?
5. Проследите, как ячейка памяти на триггерах зафиксирует в двоичной
системе счисления число, достоинство которою в десятичной системе счисления
равно 5.
6. Проследите, как будет считываться зафиксированное в ячейке памяти
многоразрядное число (см. предыдущий вопрос).
§ 40. ОДНОРАЗРЯДНЫЙ СУММАТОР НА ТРИГГЕРАХ
Все основные правила выполнения арифметических действий
над числами, выраженными в десятичной системе счисления,
остаются применимы к действиям над числами, выраженными в
двоичной системе счисления. Покажем это на примере действия
сложения.
Пусть необходимо сложить числа 0101 и ОНО, записанные в
двоичной системе счисления. Поскольку достоинство первого
числа в десятичной системе счисления составляет 2°+22=5, а
достоинство второго числа 2‘+22=6, то результат суммирова-
ния должен быть равным в десятичной системе счисления
5+6=11.
Теперь произведем сложение заданных двух чисел по обычному
правилу сложения:
, 0101
+ ОНО
1011
147
Рис. 160. Схема одноразрядного сумматора на триггерах
При выполнении этого действия мы учли, что сложение цифр
третьего разряда 1 +1 дает число, достоинство которого соответ-
ствует единице в четвертом разряде. Полученный результат в
десятичной системе счисления равен 2°+2'+23= 11, что и под-
тверждает применимость обычных правил сложения к операции
сложения чисел, выраженных в двоичной системе счисления. Это
относится в полной мере и к действиям вычитания, умножения и др.
Арифметические устройства ЭВМ могут производить любые
действия над числами, решать любые задачи, подчиняющиеся
математической логике.
Но в этом параграфе мы ограничимся рассмотрением схемы и
принципа действия одноразрядного сумматора на триггерах.
Одноразрядный сумматор должен выполнять следующие дей-
ствия:
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1 + 1=0 при переносе числа 1 в
следующий разряд.
В последнем случае перенос единицы в следующий разряд
означает, что сумма содержит две единицы.
Схема одноразрядного сумматора, (рис. 160) содержит два
триггера.
Триггеры, используемые в сумматоре, отличаются от тригге-
ров, из которых могут быть составлены элементы памяти (см. § 39),
тем, что у них нет индивидуальных выходов; имеются лишь общие
выходы сумматора в целом.
В сумматоре коллекторные цепи триодов обоих триггеров
питаются от общего источника через резисторы Rl, R2, R3 и
полупроводниковые диоды D3— D8. Резисторы Rl, R2 и R3
148
являются коллективизированными нагрузочными резисторами в
коллекторных цепях всех четырех триодов, входящих в два триг-
гера сумматора. В этом состоит вторая особенность используемых
в сумматоре триггеров.
У сумматора имеются два выхода: выход Сумма и выход
Перенос. Дело в том, что суммируемые одноразрядные числа
могут равняться либо 1, либо 0. В действиях 0+0=0, 0+1=1 и
1+0=1 результат сложения появляется на выходе Сумма в
виде отсутствия импульса (число 0} либо в виде отрицательного
импульса (число /). При выполнении же действия 1 + 1 результат
не может быть записан или выражен в закодированной форме
в том же разряде. Сумма содержит две единицы, в то время как
в данном разряде возможны лишь числа 0 и 1. Поэтому полу-
ченный результат должен быть записан как единица в следую-
щем разряде, т. е. получается число 10 (в двоичной системе
счисления). В работе сумматора это будет выражено тем, что на
выходе Сумма импульса не будет (0), а на выходе Перенос будет
отрицательный импульс (/).
Теперь рассмотрим, как действует одноразрядный сумматор.
Сначала заметим, что каждая из трех шин Ш1, Ш2 и ШЗ соеди-
нена с коллекторами двух триодов. Шина Ш1 соединена с трио-
дом Т2 триггера Тр.2 и с триодом Т1 триггера Тр.1; шина Ш2—
с триодом Т1 триггера Тр.2 и с триодом Т2 триггера Тр.1; шина
ШЗ— с триодом Т2 триггера Тр.2 и с триодом Т2 триггера Тр.1.
После подачи отрицательного импульса на вход гашения
оба триггера будут находиться в начальном состоянии: триоды
Т2 будут открыты, а триоды Т1 заперты.
Если из двух триодов, соединенных с данной шиной, хотя бы
один открыт, то потенциал этой шины оказывается резко повы-
шенным: его значение близко к потенциалу Общей шины. Пусть,
например, открыт триод Т1 триггера Тр. 1. Тогда от Общей шины
ток потечет через указанный триод, диод D3, шину Ш1 и нагрузоч-
ный резистор R1 к отрицательному полюсу источника. Так как
сопротивление открытого триода мало по сравнению с сопро-
тивлением нагрузочного резистора, то в указанной цепи основное
падение напряжения будет на резисторе; падение же напряжения
на триоде будет очень малым, и потенциал коллекторного вывода
и, следовательно, шины Ш1 будет высоким — близким к потен-
циалу Общей шины.
Если же оба триода, присоединенные к данной шине, заперты,
то сила тока в цепи будет очень мала и, следовательно, малым
будет падение напряжения на соответствующем нагрузочном ре-
зисторе. В этом случае потенциал коллекторных выводов ука-
занных двух триодов и соединенной с ними шины будет низким —
близким к потенциалу отрицательного зажима источника.
Именно эта связь между потенциалами шин (Ш1, Ш2, ШЗ) и
состоянием триодов в триггерах лежит в основе действия рас-
сматриваемого одноразрядного сумматора.
М<)
Каждое из двух складываемых одноразрядных чисел А и Б
может равняться либо 1, либо 0. Их кодируют соответственно
подачей на тот или иной вход сумматора отрицательного импульса
либо отсутствием импульса. Отрицательный импульс переводит
триггер из начального состояния в рабочее. При этом триод Т1
открывается, а триод Т2 запирается.
Случаи, которые могут представиться в зависимости от зна-
чений слагаемых чисел, показаны в таблице 40.1 (предполагается,
что число А подается на Вход /, а число Б — на Вход 2; см.
рис. 160).
Г а б л II ц а 40.1
Значения слагаемых чисел ('«стояние триодов Потенциал шины
триггера Тр. 1 триггера Тр. 2
Л Б TI Т2 TI Т2 //// IIJ2 ШЗ
0 0 Запер! Открыт Заперт Открыт Высокий Высокий Высокий
0 1 Заперт Открыт Открыт Заперт Низкий Высокий Высокий
1 0 Открыт Заперт Заперт Открыт Высокий Низкий . Высокий
1 1 Открыт Заперт Открыт Заперт Высокий Высокий Низкий
Далее необходимо учесть, что шины Ш1 и Ш2 соединены
между собой через диоды DI и D2. Потенциал в точке М соеди-
нения этих шин равен низшему из двух потенциалов. Так, если
потенциал шины Ш2 выше потенциала шины LUI, то потенциал
в точке М равен потенциалу шины Ш1.
Действительно, через диоды D2 и D1 потечет уравнитель-
ный ток i (рис. 161). Для этого тока диод D2 представляет боль-
шое сопротивление (обратное направление), а диод Д1 — малое
сопротивление (пропускное направление). Поэтому разность по-
тенциалов между шинами Ш2 и Ш1 будет погашена на р—//-пере-
ходе диода D2, и потенциал
,6‘ "
---------и----------—
------------н-
.02
Рис. 161. К роли уравнительного тока
в формировании потенциалов шии
точки М будет равен более низкому
потенциалу шины Ш1 (или по-
тенциалу шины LU2 за вычетом
—> падения напряжения на р—rt-
переходе диода D2).
Заметим,' что по ходу урав-
нительного тока диоды D1 и D2
включены друг другу навстречу
(встречными являются их про-
пускные и обратные направле-
ния). Именно поэтому соеди-
ненные между собой шины LUI
и Ш2 могут иметь различные
электрические потенциалы (не
происходит уравнивания потен-
150
циалов). Такую же роль играют пары диодов D7— D8 и D4— D5.
Благодаря их наличию не происходит уравнивания потенциалов
шин Ш1— ШЗ и Ш2— ШЗ.
Потенциал в точке N (см. рис. 160) равен потенциалу шины
ШЗ.
Точки М и Л/, по существу, являются выходами сумматора:
точка М — выходом Сумма, а точка N — выходом Перенос.
Потенциалы этих точек в зависимости от выполняемого дейст-
вия сложения чисел (после подачи на входы сумматора слагаемых
чисел А и Б) представлены в таблице 40.2, которую легко со-
ставить на основе таблицы 40.1.
Таблица 40. 2
Действие Потенциал
в точке Л1 в точке N
04-0 Высокий Высокий
04-1 Низкий Высокий
1+0 Низкий Высокий
1+1 Высокий Низкий
Приняв, что высокий потенциал на каждом из выходов коди-
рует число 0. а низкий потенциал число 1. получаем следую-
щие результаты действий:
0+0=0
0+1= 1
1+0= 1
1 + 1 = 0 и в переносе 1.
Для возможности подачи информации с выходов сумматора
на входы других подобных устройств необходимо, чтобы эта
информация была перекодирована в импульсную форму: от-
сутствие импульса—0, наличие отрицательного импульса 1.
Такое перекодирование осуществляется с помощью включенных
на обоих выходах сумматора RC — дифференцирующих ячеек.
Рассмотрим, как осуществляется перекодирование.
Если на входы триггеров сумматора импульсы не поступили,
то оба триггера находятся в начальном состоянии. При этом,
как видно из таблицы 40.2 (см. действие 0+0), потенциалы как
в точке М, так и в точке Л' являются высокими. При подаче на
Вход 2 отрицательного импульса (действие 0+1) потенциал в
точке М уменьшается, а в точке N потенциал остается прежним.
Уменьшение же потенциала в точке М приводит к зарядке кон-
денсатора С1 через резистор R5, диод D1 и резистор R1. При
этом по резистору R5 протекает кратковременный импульс за
рядного тока и с него на выходные зажимы Сумма через диод
на
D9 поступит отрицательный импульс напряжения (см. рис. 158),
которым кодируется число /. На выходе Перенос импульса не
будет (число 0).
То же происходит и при выполнении действия 1+0 (зарядка
конденсатора в этом случае происходит не через резистор RI,
а через резистор R2). При выполнении действия 1 + 1 потенциал
в точке М останется высоким, а потенциал в точке N понизится.
При этом происходит зарядка конденсатора С2 через резисторы
R6 и R3. По резистору R6 протекает кратковременный импульс
зарядного тока, и с этого резистора через диод D10 поступает
на выходные зажимы Перенос отрицательный импульс, кодирую-
щий число 1. На выходе Сумма импульса не будет (число 0).
Когда после выполнения действия на вход Гашение подается
отрицательный импульс, триггеры вновь переходят в начальное
состояние. При этом потенциалы точек М или N повышаются
(если они были низкими). Следовательно, конденсаторы С1 и
С2 будут разряжаться: конденсатор CI— через резисторы R5 и
R4, а конденсатор С2— через резисторы R6 и R7. При разрядке
конденсаторов С1 и С2 кратковременные импульсы разрядных
токов протекают по резисторам R5 и R6 соответственно. На этих
резисторах при этом образуются положительные импульсы на-
пряжения (см. рис. 157,6), которые, однако, диодами D9 и D10
не будут пропущены к выходным зажимам Сумма или Перенос.
'i 1. Каково назначение одноразрядного сумматора?
2. Какие входы имеются у сумматора и каково их назиачеиие?
3. Какие выходы имеет одноразрядный сумматор и каково назначение каж-
дого из них?
4. При каком условии потенциал какой-нибудь из шин (Ш1, Ш2, или ШЗ;
см. рис. 160) будет близок к потенциалу общей плюсовой шины?
5. При каком условии потенциал какой-нибудь из шни (Ш1, Ш2 нлн ШЗ;
см. рис. 160) будет близок к потенциалу минусового зажима источника?
6. Какова функция пар диодов D1—D2, D4 — D5 и D7 — D8 (см. рис. 160)?
Каким будет потенциал в точке М, если потенциал шины Ш1 высокий, а потен-
циал шниы Ш2 низкий?
7. При каком условии конденсатор С1 (нлн С2) будет заряжаться? Каково
назначение ЯС-ячеек на выходах сумматора?
8. Проследите за процессами в сумматоре при выполнении действия 0+1 =.
9. Проследите за процессами в сумматоре при выполнении действия 1 -)-1 =.
10. Проследите за процессами в сумматоре (и в частности, на его выходе)
при подаче на вход гашения отрицательного импульса.
§ 41. МНОГОРАЗРЯДНЫЙ СУММАТОР НА ТРИГГЕРАХ
Для суммирования многоразрядных чисел, представленных в
двоичной системе счисления, можно применить многоразрядный
сумматор, схема которого изображена на рисунке 162. Он состоит
из двух одинаковых одноразрядных сумматоров £1 и £2 и линии
152
Рис. 162. Структурная схема многоразрядного сумматора на триггерах
задержки. Последняя представляет собой специальное устройство,
обеспечивающее передачу электрических импульсов с задержкой
во времени на один такт, равный продолжительности одного
импульса и одного промежутка между импульсами.
Из схемы видно, что входы одноразрядного сумматора £1 яв-
ляются входами многоразрядного сумматора, а выход Сумма
одноразрядного сумматора £2 является выходом многоразряд-
ного сумматора.
Сложение многоразрядных чисел такой сумматор выполняет
поразрядно последовательно: сначала складываются первые раз-
ряды многоразрядных слагаемых, затем вторые разряды и т. д.
При сложении цифр каждого последующего разряда сумматором
учитывается перенос, образовавшийся от сложения цифр преды-
дыдущего разряда. В результате сложения двух п-разрядных
чисел может получиться в сумме (п + 1)-разрядное число.
Рассмотрим действие многоразрядного сумматора на примере
сложения чисел А= 1001 и Б=1101 (в двоичной системе счисле-
ния). В закодированной форме они представлены на рисунке 163
(отсутствующие импульсы изображены штриховыми линиями).
В десятичной системе счисления достоинства этих чисел будут
А=2°+23=9, Б=2°+22+23= 13; следовательно, их сумма
163
А=2°+23=9,
А+Б=22.
На входы сумматора £1 (см.
рис. 162) поступают одновре-
менно сначала первые разряды
обоих суммируемых чисел, за-
тем вторые разряды и т. д. При-
менительно к рассматриваемо-
му примеру первый разряд чис-
ла А выражен числом / и пер-
вый разряд числа Б также чис-
лом 1. Так как число 1 кодиру-
ется отрицательным импульсом,
то такие импульсы одновремен-
но поступят на оба входа сум-
А= 1 0 0
Рис. 163. Числа А-1001 и В-1101
в двоичной системе счисления,
закодированные электрическими
импульсами
Б = 1
153
А+Б= 1
164
Рис. 164. Число Л -(-• В101 К)
в двоичной системе счисления,
закодированное электрическими
импульсами
матора £1. Поэтому на выходе
Сумма сумматора £1 импульса
не будет, а на выходе Перенос
импульс появится.
С выходов первого сумма-
тора импульсы поступают на
входы сумматора £2. Но так
как импульс, идущий с выхода
Перенос, будет задержан на
один такт, то на обоих входах
сумматора £2 при суммировании первых разрядов импульсов
не окажется. Следовательно, их не будет и на выходах этого
сумматора. Значит, в первом разряде суммы будет число 0.
Далее наступит второй такт — сложение вторых разрядов
чисел А и Б. У обоих слагаемых разряды являются нулевыми,
и на оба входа сумматора £1 импульсы поступать не будут. По-
этому на обоих выходах этого сумматора также не будет импуль-
сов. Но в первом такте на вход линии задержки поступил импульс
с выхода Перенос сумматора У1, который благодаря задержке
попадет на Вход 2 сумматора £2 лишь во втором такте. Таким
образом, во втором такте на Вход 1 сумматора £2 импульс не
поступает, а на Входе 2 импульс будет. Поэтому на выходе Сумма
сумматора £2 импульс будет, а на выходе Перенос импульса не
будет. Следовательно, во втором разряде суммы будет число /.
Третьим тактом является сложение третьих разрядов чисел А
и Б. На Вход / сумматора £1 импульс не поступит, а на Вход 2
этого сумматора импульс поступит. Поэтому на его выходе Сумма
импульс будет, а на выходе Перенос импульса не будет. С Вы-
хода сумматора £1 импульс поступит на Вход / сумматора £2.
На Входе 2 этого сумматора импульса не будет. На выходе Сумма
сумматора 2С2 импульс будет; на выходе Перенос импульса не
будет; в третьем разряде суммы будет число /.
В четвертом такте происходит сложение четвертых разрядов
чисел А и Б. На оба входа сумматора £1 будут поданы импульсы.
Поэтому на выходе Сумма импульса не будет, импульс будет лишь
на выходе Перенос. Этот импульс поступит в линию задержки и
сможет попасть на вход сумматора £2 лишь в пятом такте. В чет-
вертом же такте на обоих входах сумматора £2 импульсов ие
будет. Следовательно, не будет импульсов и на обоих выходах
сумматора £2. Это означает, что четвертый разряд суммы выра-
жается числом 0.
В пятом такте на входы сумматора £1 импульсы не подаются,
но на Вход 2 сумматора £2 поступит после прохождения по линии
задержки импульс, появившийся на выходе Перенос сумматора
£1 в четвертом такте. Поэтому иа выходе Сумма сумматора £2
в пятом такте появится импульс. На выходе же Перенос этого
сумматора импульса ие будет. Следовательно, пятый разряд
суммы выразится числом /.
154
Вся сумма в двоичной системе счисления выразится пяти-
разрядным числом 10110. На выходе многоразрядного сумматора
это число получается в закодированной форме, представленной
на рисунке 164. Правильность полученного результата легко
проверить, выразив достоинство этого числа в десятичной сис-
теме счисления:
А+Б= 2' +22+24= 22
Другой проверкой может служить непосредственное сложение
чисел А и Б в двоичной системе счисления:
1001 '
+
1101
10110
Назначение обратной связи с выхода Перенос сумматора
£2 на вход линии задержки может быть выяснено из следую-
щего примера.
Пусть необходимо сложить следующие два числа А= 11 и
Б= 01. В первом такте на оба входа сумматора £1 поступят им-
пульсы. Поэтому на выходе Сумма этого сумматора импульса
не будет, а на выходе Перенос импульс будет. Благодаря дей-
ствию линии задержки этот импульс поступит на вход сумматора
£2 лишь во втором такте. В первом же такте на входы сумма-
тора £2 импульсы поступать не будут, и на его выходе Сумма
также не будет импульса. Следовательно, первый разряд суммы
выразится числом 0.
Во втором такте на Вход 1 сумматора £1 поступит импульс,
а на Входе 2 этого сумматора импульса не будет. Следовательно,
на выходе Сумма сумматора £1 будет импульс, а на выходе Пе-
ренос импульса не будет. Что касается входов сумматора £2,
то на Вход 1 во втором такте поступит импульс с выхода Сумма
сумматора £1, а на Вход 2 сумматора £2 во втором такте посту-
пит импульс, появившийся на выходе Перенос сумматора £1 и
прошедший линию задержки. Следовательно, на выходе Сумма
сумматора £2 импульса во втором такте не будет и второй разряд
суммы выразится числом 0. Но при этом на выходе Перенос
сумматора £2 импульс будет. Этот импульс по линии обратной
связи поступит на вход линии задержки и появится на Входе 2
сумматора £2 лишь в третьем такте, когда на Входе / импульса
не будет. Поэтому на выходе Сумма в третьем такте появится
импульс, и, следовательно, третий разряд суммы будет выражен
числом 100 (в десятичной системе счисления это число имеет
достоинство A-f-B=22=4).
Таким образом, благодаря наличию линии обратной связи
многоразрядный сумматор может отрабатывать появляющиеся
в процессе сложения многоразрядных чисел импульсы на выходе
Перенос сумматора £2.
155
? 1. Для чего предназначается многоразрядный сумматор?
2. Начертите структурную схему многоразрядного сумматора н объясните
назначение линии задержки.
3. Как формируются на выходе многоразрядного сумматора импульсы,
кодирующие значение суммы (поразрядно)?
4. Как происходит отрабатывание импульсов, появляющихся на выходе
Перенос одноразрядного сумматора £2?
5. Проследите за процессами, происходящими в многоразрядном сумматоре
при сложении чисел А=011 и Б=010.
§ 42. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Выполнение математических операций любой сложности осно-
вано на применении трех основных элементарных логических
операций: логического умножения — операции И, логического
сложения — операции ИЛИ и логического отрицания — опера-
ции НЕ. Построение алгоритма решения задач того или иного
типа сводится к одновременному (параллельному) и последова-
тельному применению указанных операций. Электронные вычис-
лительные машины могут'быть основаны на моделировании эле-
ментарных логических операций средствами электроники.
В этом параграфе мы рассмотрим схемы устройств, с помощью
которых моделируются элементарные логические операции. Из
таких устройств — электронных логических элементов — может
быть составлено, в частности, арифметическое устройство ЭВМ.
1. Электронное устройство логического умножения (эле-
мент И). Такое устройство имеет несколько входов и лишь один
выход. Действует оно таким образом, что сигнал на выходе
(рис. 165, а) появляется лишь при наличии сигналов на всех
Рис. 165. Функциональное назначение логического элемента И
Рис. 166. Схема логического элемента И, реализуемого с помощью кнопочных
выключателей
156
Рис. 167. Электронная схема логического элемента И
Рис. 168. Функциональное назначение логического элемента ИЛИ
входах (и на первом, и на втором, и на третьем). В данном случае
сигнал на выходе является результатом повторения входного
сигнала в качестве слагаемого столько раз, сколько имеется
входов; в этом смысле данное устройство и называют устройством
логического умножения.
Если хотя бы на одном из входов сигнала нет, то сигнала
на выходе не будет (рис. 165, б).
В простейшем виде реализовать такое устройство можно при
помощи нескольких кнопочных выключателей, соединенных меж-
ду собой в цепи последовательно (рис. 166).
Каждая электрическая кнопка может рассматриваться как
вход, а прикладываемое к ней механическое усилие при вклю-
чении — как сигнал на входе. Только при одновременном за-
мыкании всех выключателей на время т на выходе появляется
электрический импульс такой же продолжительности.
Схему элемента И называют еще схемой совпадения.
На рисунке 167 представлена электронная (бесконтактная)
схема логического элемента И на полупроводниковых диодах.
При отсутствии сигнала хотя бы на одном из входов ток проте-
кает от плюсового зажима источника через резистор R, один из
диодов D1— D3 и через один из резисторов rl, г2, гЗ. Поскольку
R^>r (где г=г/=г2=гЗ), то при этом потенциал зажима Выход
оказывается близким к нулевому (к потенциалу Общей шины).
Если же на все входы одновременно поступят положительные
электрические импульсы достаточной величины, то диоды D1— D3
157
L Вход 1
L BxodZ
L ВхоВЗ
— - -о
Выход
Рис. 169. Схема логического элемента ИЛИ, реализуемого с помощью кнопочных
выключателей
Рис. 170. Электронная схема логического элемента ИЛИ
все окажутся запертыми 1 и ток в цепи протекать не будет. При
этом на выходе появится положительный импульс той же про-
должительности т.
В § 40 при рассмотрении действия одноразрядного сумматора
на триггерах вы уже, по существу, встречались с логическим
элементом И. Лишь когда оба триода, коллекторы которых соеди-
нены с шинами LU 1 и Ш'2 (см. рис. 160), заперты, потенциал на
выходе М будет близким к потенциалу минусового зажима источ-
ника. Если же хотя бы один из этих триодов открыт, то потен-
циал на выходе М повысится практически до значения потен-
циала Общей шины.
2. Электронное устройство логического сложения (элемент
ИЛИ). Это устройство, как и элемент И, имеет несколько входов
и один выход (рис. 168). Сигнал на выходе появляется тогда,
когда поступает сигнал хотя бы на один из входов (рис. 168, а, б).
Если сигнала нет ни на одном из входов, то сигнала на выходе
не будет (рис. 168, а).
Такое устройство можно смонтировать с помощью нескольких
кнопочных выключателей (рис. 169). Если хотя бы одну из кно-
пок нажать и замкнуть ее контакты на время т (на какой-нибудь
из входов поступает механический импульс), то на выходе появит-
ся электрический импульс напряжения такой же продолжитель-
ности. Эту схему еще называют собирательной или смесительной.
Схема электронного (бесконтактного) элемента ИЛИ на полу-
проводниковых диодах приведена на рисунке 170. Если хотя бы
на один из входов подать положительный импульс, то такой же
импульс появится на выходе.
3. Электронное устройство логического отрицания (элемент
НЕ). Устройство логического отрицания имеет только один вход
1 Для этого надо, чтобы при подаче положительных импульсов на входные
зажимы, потенциалы этих зажимов относительно Общей шины были выше потен-
циала плюсового зажима источника.
158
Рнс. 171. Функциональное назначение
логического элемента НЕ
1’ис. 172. Схема логического элемента
НЕ, реализуемого с помощью
кнопочного выключателя
Рис. 173. Электронная схема
логического элемента НЕ
Вход у S
—-* \ Выход
— о—
Общая шина
и один выход. При наличии сигнала на входе нет сигнала на
выходе (рис. 171, а), и, наоборот, когда на вход сигнал не посту-
пает, на выходе сигнал появляется (рис. 171, б). Такое устройство
еще называют инвертором.
Элемент НЕ может быть выполнен по схеме, представленной
на рисунке 172, т. е. с помощью кнопочного выключателя. При
замыкании контактов электрической кнопки S (при поступлении
на вход механического импульса) зажимы Выход окажутся ко-
роткозамкнутыми и напряжения между ними не будет. Наоборот,
при разомкнутых контактах кнопки (механический импульс на
входе отсутствует) на зажимах Выход будет электрическое
напряжение.
На рисунке 173 приведена схема электронного (бесконтактно-
го) элемента НЕ на полупроводниковом триоде. При отсутствии
положительного импульса на входе триод закрыт и ток в кол-
лекторной цепи очень мал.
Следовательно, падения напряжения на нагрузочном резисторе
практически не будет и потенциал выходного зажима (относи-
тельно Общей шины) будет высоким.
Когда же на вход поступает положительный импульс напря-
жения, триод отпирается и потенциал выходного зажима па-
159
дает почти до нулевого значения, т. е. потенциала Общей шины
Таким образом, наличие положительного потенциала на входе
и его наличие на выходе взаимно друг друга исключают. Это и
есть определяющее свойство элемента НЕ.
Э 1. В чем состоит назначение (основное действие) логического элемента И?
2. Начертите схему логического элемента И, построенного на коммута-
ционных приборах, и объясните его действие.
3. Начертите схему электронного (бесконтактного) логического элемента И
на полупроводниковых диодах и объясните его действие.
4. Какими должны быть потенциалы входных зажимов логического элемента
И, чтобы диоды D1 — D3 (см. рнс. 167) оказались запертыми?
5. Почему важно, чтобы в схеме логического элемента И соблюдалось не-
равенство 7?>г?
6. Будет ли иа выходе логического элемента И сигнал, если положитель-
ные электрические импульсы поступят на все входы, ио не одновременно?
7. В чем состоит назначение (основное действие) логического элемента ИЛИ?
8. Начертите схему логического элемента ИЛИ, построенного на коммута-
ционных приборах, и объясните его действие.
9. Начертите схему электронного (бесконтактного) логического элемента
ИЛИ на полупроводниковых диодах.
10. В чем состоит назначение логического элемента НЕ?
II. Начертите схему логического элемента НЕ, осуществленного с помощью
электрической кнопки, и объясните его действие.
12. Начертите схему электронного (бесконтактного) логического элемента
НЕ и объясните его действие. Какого типа полупроводниковый трнод исполь-
зован в этой схеме? Почему?
§ 43. ОДНОРАЗРЯДНЫЙ СУММАТОР НА ЛОГИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТАХ
Логические элементы И, ИЛИ и НЕ широко применяются в
вычислительной технике, автоматике и кибернетике. В качестве
примера рассмотрим одноразрядный сумматор на логических
элементах. Его упрощенная структурная схема представлена на
рисунке 174.
Слагаемые числа подаются на два входа сумматора в зако-
дированной форме: наличие положительного импульса —1, от-
сутствие импульса —0.
Пусть необходимо сложить числа А=01 и В=01 (в двоич-
ной системе счисления). При сложении первых разрядов данных
чисел на оба входа сумматора будут поданы положительные
импульсы. Входы сумматора являются в то же время входами
логических элементов ИЛИ и И1. Здесь предполагается, что
элемент И1 имеет только два входа.
1 В данной схеме оказалось целесообразным применить триод п—р—//-ти-
па. который от триода р—н—p-типа по способу включения отличается тем, что
на его коллектор подается положительный потенциал (относительно эмиттера).
160
Рис. 174. Структурная схема одноразрядного сумматора на логических элементах
На выходах элементов ИЛИ и И1 появятся положительные
импульсы. С выхода элемента ИЛИ импульс поступит на один
из входов элемента И2, также имеющего два входа. С выхода
элемента И1 импульс поступит, во-первых, на выход Перенос
сумматора и, во-вторых, на вход элемента НЕ. На выходе эле-
мента НЕ импульса не будет. Следовательно, на второй вход
элемента И2 импульс не поступит. Поэтому на выходе элемента
И2, т. е. на выходе Сумма, сумматора импульса не будет.
Итак, в результате процессов, происходящих в сумматоре
при сложении чисел А=01 и Б=01, на выходе Сумма импульса
не будет, а на выходе Перенос импульс будет. Это означает, что
результатом выполненного действия сложения будет число 10
(в двоичной системе счисления):
01+01=10
В десятичной системе счисления этому соответствует запись:
1 + 1 = 2', или 1 + 1 = 2, что, конечно, правильно.
Процессы в сумматоре при сложении любых одноразрядных
чисел можно проследить по таблице 43.1.
Таблица 43. 1
Слагае- мые числа Число импульсов на логических элементах Число импуль- сов на выходах сумматора
ИЛИ И1 НЕ И2
А В Вх. Вых. Вх. Вых. Вх. Вых. Вх. Вых. Сум- ма Перенос
0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 Два 0 1 1 1 0 1 1 Два 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 Два Два 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1
Из двух одноразрядных сумматоров на логических элемен-
тах может быть составлен многоразрядный сумматор по той же
схеме, которая была рассмотрена в § 41.
6. Зак. 1990 3. М. Резников
1Ы
Р 1. Начертите структурную схему одноразрядного сумматора на логических
элементах н объясните, почему элементы И1 и И2 должны иметь только по два
входа.
2. Нарушится лн правильность действия сумматора, если входящий в него
элемент ИЛИ будет иметь три входа?
3. Проследите за действиями входящих в сумматор логических элементов
при выполнении операции сложения чисел А=01 и Б=01 (в двоичной системе
счисления).
Задачи
6.1. Внесите в схему триггера (см. рис. 155) иэмеиення, в результате которых
его опрокидываипе происходило бы при поступлении на его вход положитель-
ных импульсов.
Определите, какой импульс будет после этого появляться на выходе при
переходе триггера из начального состояния в рабочее и при переходе триггера
из рабочего состояния в начальное.
6.2. Определите, какие будут наблюдаться изменения в работе триггера
(см. рис. 155), если выход будет осуществлен от коллектора триода Т2.
6.3. Определите, какие изменения произойдут в работе триггера (см. рис. 155),
если вход Гашение перенести к выводу базы триода Т1.
6.4. Предложите простейшую схему цепи, пользуясь которой можно было
бы путем замыкания или размыкания ключа получить положительные импульсы;
отрицательные импульсы. Соберите цепь и испытайте ее в действии.
6.5. Предложите возможные варианты простейших коммутационных схем
логического элемента И. Соберите цепь и испытайте ее в действии.
6.6. Предложите возможные варианты простейших коммутационных схем
логического элемента ИЛИ. Соберите цепь и испытайте ее в действии.
6.7. Предложите возможные варианты простейших коммутационных схем
логического элемента НЕ. Соберите цепь и испытайте ее в действии.
6.8. Предложите возможные варианты схемы электронного логического
элемента И применительно к использованию на входах отрицательных импульсов.
6.9. Предложите возможные варианты схемы электронного логического
элемента ИЛИ применительно к использованию на входах отрицательных
импульсов.
6.10. Предложите возможные варианты схемы электронного логического
элемента НЕ применительно к использованию на входе отрицательного им-
пульса.
Практические работы
Работа 18. Сборка и испытание логического элемента И
на полупроводниковых диодах
Приборы и материалы: полупроводниковые диоды [16], на-
бор резисторов [9, 10, 11], неоновая лампа, вольтметр, источники
тока, ключ, реостат ползунковый, батарея конденсаторов БК-58,
соединительные провода.
162
Ход работы
1. Соберите логический элемент И (см. рис. 167) на два входа.
2. Разработайте схему простого источника электрических
импульсов на потенциометре и лабораторном ключе.
3. Соберите установку для получения положительных импуль-
сов.
4. Присоедините источник положительных импульсов к одному
из входов элемента И, а к его выходу подключите неоновую
лампу или вольтметр.
5. Проведите наблюдения за появлением сигнала на выходе:
а) при отсутствии импульсов на входах;
б) при наличии импульса лишь на одном из входов.
6. Присоедините выход источника импульсов к обоим входам
элемента И; подавая одновременно положительные импульсы
на оба входа, произведите наблюдения за появлением положи-
тельного импульса на выходе.
7. Результаты наблюдений занести в таблицу
Вход 1 Вход 2 Выход
0 0
0 1 1 1 0 1
Работа 19. Сборка и испытание логического элемента ИЛИ
на полупроводниковых диодах
Приборы и материалы: полупроводниковые диоды [16], на-
бор резисторов [9, 10, 11], вольтметр, источники тока, соеди-
нительные провода, ключ, реостат ползунковый, батарея кон-
денсаторов БК-58.
Ход рдботы
1. Соберите логический элемент ИЛИ (см. рис. 170) на два
входа.
2. Соберите и присоедините прибор для получения электри-
ческих импульсов к одному из входов собранного элемента ИЛИ,
а к его выходу подключите вольтметр.
3. Проведите наблюдение за сигналом на выходе логического
элемента ИЛИ: а) при отсутствии импульсов на входах; б) при
наличии импульса на одном из входов.
4. Присоедините выход источника электрических импульсов
к обоим входам логического элемента ИЛИ и проведите наблю-
дение за сигналом на его выходе при одновременной подаче
электрических импульсов на оба входа.
1 Отсутствие импульса обозначить цифрой 0, а наличие импульса -
цифрой 1.
6
163
5. Результаты наблюдений занести в таблицу:
Вход 1 Вход 2 Выход
0 0
0 1 1 1 0 1
Работа 20. Сборка и испытание логического элемента НЕ
на полупроводниковом триоде
Приборы и материалы: полупроводниковый триод [9, 10],
набор резисторов [9, 10, 11], реостат ползунковый, батарея кон-
денсаторов БК-58, соединительные провода, источники тока,
вольтметр, электромагнитное реле [1, 2, 15], ключ, низковольтная
лампа на подставке.
Ход работы
1. Ознакомтесь с цоколевкой полупроводникового триода и
его техническими данными.
2. Соберите логический элемент НЕ (см. рис. 173).
3. Соберите и подключите к входу логического элемента НЕ
выход источника импульсов. К выходу элемента НЕ подключите
вольтметр.
4. Произведите наблюдения за сигналом на выходе при отсут-
ствии и наличии сигнала на входе.
5. Соберите и испытайте логический элемент НЕ на базе
электромагнитного реле.
Работа 21. Сборка и испытание одноразрядного
сумматора на логических элементах
Приборы и материалы: набор полупроводниковых диодов и
триодов [9, 10, 16], набор резисторов [9, 10, 11], электромагнитное
реле [1,2, 15], источники тока, ключ, реостат ползунковый —2 шт.,
батарея конденсаторов БК-58—2 шт., соединительные провода,
вольтметры — 2 шт.
Ход работы
1. Ознакомьтесь со всеми логическими элементами. Собери-
те два элемента И и по одному элементу ИЛИ и НЕ. Определите у
каждого входы и выходы, а также способ подключения источников
тока.
2. Соберите одноразрядный сумматор на логических элемен-
тах (см. рис. 174).
3. Соберите два источника импульсов и испытайте их в ра-
боте.
4. Подключите выходы источников импульсов к входам сум-
матора, а к выходам сумматора подключите вольтметры.
164
5. Выполните следующие действия:
0+0=?; 0+1 = ?; 1+0=?; 1 + 1 = ?
Выполнение действий на сумматоре отразите в таблице:
Слагаемые числа Наличие импуль- сов на входах Наличие импульсов на выходах Значение суммы в двоичной си- стеме счисле- ния
А Б Вход 1 Вход 2 Сумма Перенос
0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1
ГЛАВА 7
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
И ГАЗОВ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
$ 44. ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ
АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОСОБЕННОСТЕЙ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ДИОДЫ
Из основного курса физики вы знаете, что молекулы неко-
торых солей, кислот, оснований при растворении в жидкостях
с поляризованными молекулами (например, в воде) диссо-
циируют, т. е. расподаются на ионы:
НС1^Н + + СГ,
CuSO45=fcCu+ + + SO4 ~,
КОН^К++ОН -.
Если в такой раствор, называемый электролитом, поместить
два электрода и подать на них напряжение, то под действием
электрического поля положительные ионы-катионы перемещаются
к катоду, а отрицательные ионы-анионы движутся к аноду. На
электродах происходят окислительно-восстановительные про-
цессы: положительные ионы принимают от катода электроны
(восстановление), а отрицательные ионы отдают электроны
аноду (окисление).
Эти процессы могут происходить без участия вещества электро-
дов (без их растворения или выделения на них вещества из
раствора) или с участием вещества электродов.
Второй случай используется при рафинировании меди, в галь-
ваностегии, гальванопластике, а также в гальванических элемен-
тах, основанных на растворении цинкового электрода.
Эти практические применения ионной природы тока в электро-
литах вам известны из основного курса физики. Заметим, что все
виды электролитических процессов, связанные с участием элект-
родов (их растворением, выделением металла или газа), огра-
ничены во времени. Известно, например, что гальванический
элемент за определенное время истощается. Это происходит
после того, как вся масса активных веществ (цинкового элект-
рода, электролита) прореагирует. Здесь мы рассмотрим сущ-
ность электролитических процессов, не связанных с участием в
реакциях вещества электродов или с изменениями на электродах
(выделением на них металла или газа). Протекание таких про-
цессов не ограничено во времени, так как химический состав и
состояние элементов устройства в итоге не претерпевают из-
менения.
166
Осуществить названный случай прохождения тока через раст-
вор электролита можно подбором определенного состава раствора
и применением химически инертных электродов. При этом также
важно, чтобы значение подаваемого на электроды напряжения
было ниже того, при котором может начаться электролиз раст-
ворителя.
В одном из вариантов практической реализации этих условий
применяют платиновые электроды и водный раствор иодида
калия (KI) с добавкой в него небольшого количества кристал-
лического иода. В растворе иодидный калий диссоциирует на
катионы калия К+ и иодид-анионы 1_. В результате соединения
иодид-аниона 1“ с нейтральными молекулами иода h в растворе
образуются трииодид-анионы 1з“:
I +b—>-1з .
При прохождении тока через раствор трииодид-анионы 13~
принимают от катода два электрона и восстанавливаются в I-
(рис. 175):
1з“+2е-^31-.
У анода же ионы I- отдают электроны и окисляются до мо-
лекулярного иода: 21“->-Ы-2е_.
Суммируя три приведенные здесь реакции, из которых одна
происходит в растворе, а две остальные — на электродах, легко
убедиться, что в итоге имеет место баланс, т. е. сохранение соста-
ва раствора неизменным.
Надо отметить следующее важное обстоятельство. При приго-
товлении раствора берут значительное количество иодида калия
и очень малую добавку кристаллического иода. Поэтому кон-
центрация ионов I- в растворе большая, а концентрация ионов
1з~ малая. В связи с этим скорость протекания реакции восста-
новления трииодид-аниона 1г на катоде будет значительно мень-
ше, чем скорость протекания реакции окисления иодид-аниона
Анод
Катод 175
дпр
а
2J~-J2 + 2e
(Реакция окисления)
J'+2e -3J-
(Реакция восстанобления)
S
Рис. 175. Процессы, происходящие в растворе йодистого калия при пропускании
электрического тока
Рис. 176. Униполярная проводимость электролитического диода
167
на аноде. Для выравнивания этих скоростей делают площадь
анода значительно меньше площади катода (рис. 176, а).
Если поменять полярность электродов, то катод и анод по-
меняются местами. Теперь катод будет иметь малую площадь, а
анод — большую. В результате этого сила тока в цепи при том
же напряжении между электродами станет во много раз меньше
(рис. 176, б). Она будет определяться скоростью процесса вос-
становления на катоде. И без того малая скорость этого процесса
(из-за малой концентрации If ) еще уменьшится вследствие
малого размера катода.
Это означает, что подобное устройство обладает односторон-
ней проводимостью: от электрода с малой поверхностью к элект-
роду с большой поверхностью протекает большой прямой элект-
рический ток /пр, а в обратном направлении (при таком же на-
пряжении) очень малый обратный электрический ток /о6р. Отно-
шение этих двух значений силы тока достигает большой вели-
чины:
-^ = 500.
'обр
Таким образом, описанное устройство представляет собой
электролитический диод, который в элементах автоматики может
использоваться в качестве надежного и весьма совершенного
электрического вентиля.
Не произойдет ли прекращение тока в цепи из-за истощения
раствора? Действительно, у анода происходит истощение иоди-
да I- и образование молекулярного иода 12. В толще раствора
происходит истощение иодид-анионов 1~ и молекулярного иода 12,
здесь образуются трииодид-анионы If. Наконец, у катода про-
исходит истощение трииодид-анионов If и образование иодид-
анионов I-.
Однако имеет место обратный процесс перемещения соответст-
вующих частиц в истощенные области. Иодид-анион I- пере-
мещается от катода в толщу электролита (рис. 177) вплоть до
анода, во-первых, из-за диффузии под действием различия в
177 концентрации и, во-вторых, под
действием электрического поля
(миграционное движение). Мо-
лекулярный иод 12 диффунди-
|J2°—* рует от анода в толщу электро-
----1 лита вследствие различия кон-
+ * J3 о—► ~ центрации. Наконец, трииодид-
анион 1з“ диффундирует из
тол ши электролита к катоду
под действием различия кон-
центрации против сил электри-
Рис. 177. Диффузионные процессы в ческОГО ПОЛЯ.
электролитическом диоде Перемещения ионов и мо-
16В
Рис. 179. Устройство электролитического диода
лекул под действием электрического поля в процессе их диффузии,
обусловленной различием концентрации, происходит значительно
медленней, чем аналогичные перемещения электронов в твердых
телах; подвижность ионов и молекул меньше подвижности элек-
тронов из-за того, что масса ионов и молекул в тысячи раз больше
массы электронов. Кроме того, подвижность ионов в растворе
электролита резко снижается еще из-за того, что каждый ион
окружен гидратной оболочкой, состоящей из полярных молекул
воды (рис. 178). По этой причине электролитические диоды могут
применяться лишь для медленных процессов. В случае же быстрых
процессов используются, рассмотренные в главе 5, полупровод-
никовые вентили, в которых все процессы связаны с движением
электронов.
Областью применения электролитических диодов является
вентильное действие для очень слабых сигналов. Дело в том, что
при малых напряжениях (порядка 10“2В и меньше) полупро-
водниковый диод практически не действует: его проводимость
почти одинакова в обоих направлениях. Электролитический же
диод характеризуется прекрасным вентильным действием даже
при напряжении, составляющем величину порядка 10“’ В. При
этом обратный ток составляет величину порядка 10“3 А.
Итак, именно при слабых сигналах проявляются преимущества
электролитических диодов перед полупроводниковыми.
Конструктивно электролитический диод выполняется, как по-
казано на рисунке 179. Стеклянная ампула 1 заполнена электро-
литом 2. Маленький платиновый стерженек 3, впаянный в стек-
лянный держатель, является анодом, а цилиндрическая тонкая
платиновая сетка 4 служит катодом. Ввиду того что электроли-
тические диоды применяются в случае слабых сигналов, их раз-
меры (диаметр, длина) могут быть сделаны малыми (они состав-
ляют несколько миллиметров).
Э 1. Какими особенностями должен обладать цикл физико-химических
реакций, чтобы действие основанных на нем электролитических устройств не
было ограничено во времени? Приведите пример.
169
2. Как устроен электролитический диод с иодистым электролитом? Какими
факторами определяется его односторонняя проводимость?
3. В чем состоит ограничение области использования электролитических
вентилей?
4. В каких условиях применение электролитических диодов должно пред-
почитаться применению полупроводниковых диодов?
§ 45. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
Рассматриваемый в этом параграфе электролитический датчик
представляет собой преобразователь кратковременного слабого
механического воздействия в электрический импульс. Само кратко-
временное усилие, воздействующее на датчик, может быть обу-
словлено возникновением ускорения у системы, с которой связан
датчик, или, например, с тем, что на датчик набегает поток жид-
кости или газа, а также другими факторами. Поэтому данное
устройство может служить датчиком ускорения, скорости набе-
гающего потока, давления и др.
Схематически конструкция датчика представлена на рисун-
ке 180. Пластмассовый корпус затянут с двух сторон эластич-
ными мембранами. Его внутренняя полость разделена на две
камеры, которые сообщаются между собой через отверстия в
центре каждой. В этом отверстии помещен платиновый катод.
С двух сторон от катода расположены сетчатые платиновые
аноды. Вся внутренняя полость заполнена раствором электро-
лита такого же состава, какой используется в электролити-
ческом диоде.
Пока на мембраны не действуют механические усилия извне,
Сила
Пербоя
анодная
камера
второй
анод
Менйроны
, вторая
онооноя
комеро
К о mod
Рис. 180. Устройство электролитического датчика механических воздействий
Рис. 181. Схема включения электролитического датчика, обеспечивающая его
одностороннее действие
170
сила тока, измеряемая стрелочным микроамперметром, очень
мала. Это объясняется тем, что, во-первых, поверхность катода
мала, и, во-вторых, малой скоростью диффузии трииодида (1г )
к катоду.
Но если нажать на одну из мембран, например на левую (по
рисунку), то раствор из первой анодной камеры будет перетекать
через центральное отверстие во вторую анодную камеру. При
этом катод обтекается свежим раствором, в котором имеются
ионы трииодида. От концентрации последнего в прикатодном
слое как раз и зависит сила тока в цепи. Следовательно, при
нажатии на мембрану сила тока увеличивается. Она будет тем
больше, чем больше скорость, с которой раствор обтекает катод.
Здесь применяется конвекционный способ доставки ионов к
катоду.
Понятно, что такой преобразователь может реагировать
лишь на кратковременные импульсы давления. Дело в том, что
по мере перетекания жидкости из одной анодной камеры в другую
мембраны прогибаются (одна внутрь, вторая наружу). Наконец
приложенное усилие уравновешивается силами упругости мем-
бран, и перетекание жидкости прекращается. При этом из-за
уменьшения в прикатодном слое концентрации трииодида (1г )
сила тока в цепи падает до исходного значения.
Описанный датчик обеспечивает двустороннее действие, т. е.
механическое усилие может быть приложено к любой из мембран
(справа или слева), и в обоих случаях показания стрелочного
индикатора будут одинаковыми.
Вместе с тем такая двусторонность является определенным
недостатком рассмотренного датчика. Дело в том, что после
прекращения внешнего механического воздействия на одну из
мембран происходит релаксационный 1 процесс: состояние датчи-
ка восстанавливается благодаря действию сил упругости мембран.
При этом жидкость обтекает катод в обратном направлении и в
цепи происходит вторичное увеличение силы тока, не вызванное
внешним давлением на мембране. Таким образом появляется
дополнительный так называемый релаксационный импульс.
Этот недостаток может быть устранен внесением небольшого
изменения в схему включения датчика (рис. 181). Суть этого
изменения состоит в том, что через стрелочный индикатор тока
протекает ток, идущий от катода лишь к одному аноду. Второй
сеточный электрод присоединяется к отрицательному полюсу
источника и служит в этом случае вспомогательным катодом.
Процесс восстановления трииодида (1г ) в иодид (I-) проис-
ходит не только на основном катоде, но и на вспомогательном.
По этой причине в камере вспомогательного катода в растворе
ионов трииодида практически не будет. Следовательно, во время
1 От лат. relaxatio— ослабление. Релаксация — восстановление исходного
состояния.
171
восстановления исходного состояния датчика, когда раствор
протекает в обратную сторону (по рисунку справа налево), сила
тока в цепи индикатора увеличиваться не будет. Но такой датчик
уже не обладает возможностью двустороннего действия: он реаги-
рует лишь на давление на мембрану анодной камеры, на давление
же на мембрану камеры вспомогательного катода датчик не
реагирует.
Чувствительность таких датчиков очень велика: с их помощью
можно обнаружить изменение давления на мембрану, состав-
ляющее величину порядка 10~2 Па.
При использовании такого датчика в схемах автоматического
управления вместо стрелочного индикатора включают нагрузоч-
ное сопротивление, с которого снимается сигнал (изменение
напряжения), поступающий на усилитель, а затем на испол-
нительный орган.
Мы рассмотрели лишь два примера элементов автоматики,
действие которых основано на использовании особенностей
электрического тока в электролитах,— электролитический диод
и электролитический датчик механического воздействия. Кроме
этих устройств, в автоматике применяются и другие электро-
литические приборы — усилители, интеграторы, стабилизаторы,
устройства релейного действия и др. Некоторые из этих при-
боров используются в ЭВМ.
Во всех случаях электролитические элементы используются
в ситуациях медленного протекания процессов. При этом ис-
пользуются в каждом случае определенные преимущества элект-
ролитических элементов перед электронными: электролитические
диоды способны осуществлять вентильные действия при очень
малых сигналах, когда электронные диоды оказываются беспо-
мощными; электролитические датчики давления отличаются
очень высокой чувствительностью; электролитические усилители
обеспечивают значительно больший коэффициент усиления, чем
электронные,— коэффициент усиления по мощности одного
каскада достигает 2000...3000.
Электролитические элементы автоматических устройств отли-
чаются высокой надежностью, долговечностью и малым потреб-
лением энергии.
Ограничением для их применения являются низкие темпера-
туры, при которых электролит замерзает. Вместе с тем при ис-
пользовании в качестве электролита расплавов (вместо раство-
ров) соответствующие элементы автоматики мргут работать при
высоких температурах.
f 1. Каковы устройство н принцип действия двустороннего датчика интен-
сивности механических воздействий?
2. Почему в исходном состоянии (при отсутствии внешнего механического
воздействия на мембраны) сила тока в цепи датчика очень мала?
3. Благодаря чему при внешнем механическом воздействии на мембрану
172
происходит возрастание силы тока? Какой способ доставки ионов к катоду
(диффузионный, миграционный или конвекционный) в данном случае является
основным?
4. Почему электролитический датчик механических воздействий может вы-
давать электрический сигнал только в форме ограниченного во времени им-
пульса?
5. Какие механические величины могут быть преобразованы в электрические
импульсы с помощью электролитического датчика?
6. Каким недостатком обладает электролитическай датчик двустороннего
действии?
7. Чем отличается датчик одностороннего действия от датчика двусторон-
него действия? Почему при использовании датчика одностороннего действия
не будет релаксационного импульса? Какую роль выполняет вспомогательный
катод одностороннего датчика?
8. Каковы температурные ограничения для использовании электролити-
ческих датчиков? Могут ли применяться электролитические датчики в условиях
высокой температуры контролируемой среды?
$ 46. ТЛЕЮЩИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ.
ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Важнейшей особенностью протекания электрического тока в
газах является то, что условием осуществления тока в них есть
действие в каждом случае некоторого ионизирующего фактора —
внешнего ионизатора по отношению к газоразрядному устройству
(несамостоятельный разряд). В этом параграфе нас будет инте-
ресовать самостоятельный разряд в разреженных газах, а именно
одна его разновидность — тлеющий разряд.
Если к электродам, впаянным в длинную (около 50 см) стек-
лянную трубку, в которой предварительно путем откачки произ-
ведено сильное разряжение воздуха, подвести высокое напря-
жение (более 10 000 В), то можно будет наблюдать специфи-
ческую картину самостоятельного газового разряда (рис. 182).
Непосредственно к катоду прилегает очень тонкий светя-
щийся слой — катодная пленка 1. За ним идет более протяжен-
ный участок — катодное темное пространство 2, далее — еще
Рис. 182. Самостоятельный электрический разряд в разряженном газе
Рис. 183. Двухэлектродная лампа тлеющего разряда
183
173
более длинная часть, область тлеющего свечения 3, после кото-
рого располагаются фарадеево темное пространство 4 и, наконец,
светящийся положительный столб 5, простирающийся вплоть
до анода.
Ионизирующим фактором для такого самостоятельного раз-
ряда являются электроны, вырываемые из катода положитель-
ными ионами, налетающими на катод (вторичная электронная
эмиссия).
Между анодом и катодом в момент включения напряжения
возникает в основном однородное электрическое поле, и падение
напряжения распределяется по длине межэлектродного проме-
жутка практически равномерно. Но сразу же после установления
режима тлеющего разряда характер распределения поля изме-
няется. Вблизи катода образуется объемный положительный
заряд. В связи с этим на прикатодную область небольшой длины
приходится основная часть падения напряжения. Напряженность
поля здесь становится большой, и под действием этого поля
электроны разгоняются до такой скорости, которая необходима
для ионизации молекул, а образующиеся положительные ионы
получают энергию, необходимую для выбивания из катода новых
электронов.
Участок, на котором происходит разгон электронов до скорос-
тей, необходимых для ионизации молекул, и является катодным
темным пространством. На участке тлеющего свечения проис-
ходят процессы ионизации и молизации '. Последний сопро-
вождается испусканием света. В фарадеевом темном пространстве
электроны опять разгоняются, и затем в положительном анодном
столбе снова происходят одновременно процессы ионизации газа
и молизации, из-за чего газ здесь испускает свет.
Так как после возникновения тлеющего разряда основная
часть напряжения, поданного на электроды газоразрядной трубки,
приходится на небольшое по длине катодное темное пространство,
в котором происходят основные процессы, необходимые для
поддержания тлеющего разряда (разгон положительных ионов
до энергии, необходимой для выбивания электронов из катода,
и ускорение электронов до скоростей, необходимых для иони-
зации молекул газа в области тлеющего свечения), то напря-
жение, необходимое для поддержания тлеющего разряда, мень-
ше того первоначального напряжения, которое должно быть
подведено к электродам, чтобы тлеющий разряд мог возникнуть
(напряжение зажигания). После возникновения разряда мож-
но напряжение, подводимое к электродам, уменьшить (до неко-
торого предельного значения), и разряд при этом не прек-
ратится.
1 Молизации — нейтрализация ионов — происходит при столкновении ионов,
имеющих заряды противоположных знаков, либо при столкновении положитель-
ных ионов со свободными электронами.
174
Если в такой трубке анод постепенно приближать к катоду,
то происходит сначала укорачивание анодного столба. Далее
анодный столб, а затем и фарадеево пространство совсем исче-
зают. В трубке остаются лишь прикатодное темное пространство
и область тлеющего свечения. Такое устройство и представляет
собой двухэлектродную лампу тлеющего разряда (рис. 183).
Протекание электрического тока через газоразрядные приборы
вообще и в двухэлектродной лампе тлеющего разряда в частности
обусловлено главным образом движением электронов, имеющих
большую подвижность; часть силы тока обусловлена движением
ионов, подвижность которых во много раз меньше, чем электро-
нов (эта часть тока составляет всего лишь доли процента). Функ-
ция ионов состоит главным образом не в образовании тока, а,
как уже было сказано, в обеспечении эмиссии электронов из
катода.
Значение напряжения зажигания диода тлеющего разряда
определяется тем обстоятельством, что возникновение само-
стоятельного тлеющего разряда предполагает образование ла-
винообразного процесса ионизации газа. Возможности же для
образования лавины зависят от давления р газа в трубке и
расстояния г между электродами. Чем меньше давление газа,
тем больше свободный пробег электронов и возможности для
образования лавины менее благоприятны. То же можно сказать
о влиянии расстояния г между электродами. Чем это расстояние
меньше, тем меньше будет число столкновений электрона на
пути его движения к аноду. Это значит, что напряжение за-
жигания U3 лампы тлеющего разряда сопряжено с давлением
газа и расстоянием, которое между электродами одинаково и,
следовательно, зависит от произведения этих величин: U3=f (рг).
Эта зависимость имеет следующий вид:
U3=Ur
a+ln(pr)
где Ui — напряжение ионизации для данного газа, а—постоян-
ная величина, зависящая от конструктивных особенностей лампы.
Графически характер этой зависимости представлен на рисун-
ке 184. Как видно, в каждом конкретном случае можно выбрать
оптимальное значение произведения рг, обеспечивающее мини-
мальную величину напряжения зажигания. Произведение рг пред-
ставляет собой величину, пропорциональную числу соударений N
электрона на пути от катода к аноду. С ростом числа соударений
необходимо увеличивать напряжение на электродах, чтобы обес-
печить на каждом свободном пробеге электрона получение им
энергии, достаточной для ионизации молекул газа. Однако при
малом числе соударений электрона на пути от катода к аноду
лавины оказываются слабо развитыми, и для возникновения
тлеющего разряда приходится повышать напряжение и тем самым
увеличивать интенсивность электронной эмиссии из катода.
175
Рис. 184. К получению минимального напряжения зажигания двухэлектродной
лампы тлеющего разряда
Рис. 185. Снижение напряжения зажигания неоновой лампы за счет примеси
водорода
Что касается напряжения зажигания U3, то, не вдаваясь в
подробное рассмотрение, отметим, что можно достичь его су-
щественного уменьшения путем добавления к основному газу в
качестве примеси небольшого количества другого газа, характери-
зующегося меньшим (по сравнению с основным газом) потен-
циалом ионизации. Так, при использовании в качестве основного
газа неона (в неоновых лампах) можно уменьшить напряжение
зажигания на 25%, добавив 0,5% водорода. Это видно из рисун-
ка 185, на котором представлены графики зависимости U3=f (рг)
для чистого неона и неона с примесью водорода *.
Выше уже было объяснено, почему начальное напряжение
на элекродах, необходимое для возникновения в газоразрядной
трубке тлеющего разряда (напряжение зажигания U3), должно
быть больше напряжения, необходимого для поддержания уже
возникшего разряда (напряжение горения Ur): U3>UT.
Это относится и к двухэлектродной лампе тлеющего разряда,
в которой после зажигания происходит перераспределение па-
дения напряжения между двумя областями таким образом, что
основная часть напряжения, подведенного к лампе, приходится
на катодное темное пространство, а на область тлеющего све-
1 Уменьшение потенциала зажигания для смеси неона с водородом
объясняется тем, что при напряжении между электродами 150...200 В иониза-
ция атомов чистого неона еще не наступает, но уже образуются так назы-
ваемые метастабильные возбужденные атомы неона с большой избыточной
энергией, которые при столкновении с атомами водорода передают им избы-
точную энергию, вызывая этим нх ионизацию. Это приводит к возникновению
самостоятельного тлеющего разряда.
176
ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ И ДА* -ЗИЧИ
Измеряемая личина Типы датчиков Схематическое изображение или условное обозначение Физические о гновы действия
Контактный Замкнутое или разомкнутое состояние электрической цепи
1 ft_®_ 1
G J
Перемещение Реостатный 1 °G° и Г= Закон Ома
Емкостный Hr- -ir- 1 1 Зависимость электрической емкости конденсатора от его параметров; с= °d
Механическое давление Угольный р ihh. Зависимость переходного электрического сопротивления частиц от площади их соприкосновения
Температура Газовый JE 1 Зависимость давления газа от температуры
Биметалли- ческий Линейное тепловое расширение металлов
Термистор Rt Зависимость электрического сопротивления полупро- водников от температуры
Зак. 1990 Резников, вклейка
KOfO’AKTHUc
Типы реле Схематическое изоб- ражение или условное обозначение Физические основы действия
Электромеханические Электро- магнитные -g; Притяжение стального якоря к электромагниту
Магнитоуправ- ляемые герконы У а Особенности намагничивания магяиготвердого сердечника
Электротермические KI • Тепловое действие тока; изгиб биметаллической пластины при изменении ее температуры
Типы реле Схематическое изображение или условное обозначение Физические основы действия
Газоразрядное (тиратрон) Зависимость потенциала зажигания от напряжения на управляющем электроде
Электронное термисторное Наличие у вольт-амперной характеристики термистора падающего участка
КЛЮЧ!'
Типы Схематическое изобра- жение или условное обозначение Физические основы действия
Контактные — Наличие или отсутствие электрической проводимости
Бесконтактные Диодные +0—1 1 Вход У -о —о ^Выход —о Односторонняя проводимость полупроводникового диода
Триодные +О 1 - - —-♦ и Вход Выход Использование двух состояний триода: запертого и полностью открытого
Электромагнитный И| Втягивание ферромагнитного сердечника в соленоид
Электромашинный Действие магнитного поля на проводник с током
! чсаптхсли гг. ли
Электромагнитный шагов] i ф]| Притяжение стального якоря к электромагниту
Электронно- лучевой X - । Явление вторичной электронной эмиссии
ЗЬОИчНЫь И ЛОГИЧЕСКИ!. Л М УПРАИЯЯЮ1ЦИХ ii _>БМ
©
Рис. 186. Схема включения двухэлектродной лампы тлеющего разряда
Рис. 187. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда
чения всего около 10—15% этого напряжения. Поэтому лампу
тлеющего свечения включают в сеть через ограничительный
резистор 7? (рис. 186), который после зажигания лампы гасит
избыточное напряжение, одновременно ограничивая силу тока.
На рисунке 187 представлена вольт-амперная характеристика
тлеющего разряда. Как видно, после образования тлеющего раз-
ряда напряжение между электродами почти не зависит от силы
тока (в пределах между значениями /min и /тах): увеличение
силы тока вызывается крайне незначительным увеличением
напряжения между электродами. Такая независимость напряже-
ния от силы тока объясняется тем, что с увеличением силы тока
плотность его в прикатодной области остается неизменной; про-
исходит лишь увеличение площади поверхности рабочего участка
(светящегося пятна) катода ’. В связи с этим диапазон возмож-
ного изменения тока при постоянном межэлектродном напряжении
(от /min до /тах) зависит от площади поверхности катода.
В автоматических устройствах специальные лампы тлеющего
разряда — стабилитроны используются для стабилизации на-
пряжения при изменении силы тока, протекающего через потре-
битель. Чтобы расширить пределы возможного изменения силы
тока в стабилитронах (рис. 188), катод делают большой площади
(больше площади анода).
Сопротивление R ограничительного резистора в схеме ста-
билизатора напряжения (рис. 189) выбирают, исходя из среднего
значения силы тока /о, протекающего через стабилитрон (см.
рис. 187), и номинального тока нагрузки /н:
где U— напряжение в сети.
1 Плотностью тока i называется отношение силы тока / к площади попереч-
ного сечения S трубки (электропроводящего канала): 1 = -^ . При Z = const сила
тока прямо пропорциональна S: Z = ZS.'B случае тлеющего разряда величина S
есть площадь светящегося пятна на катоде.
7. Зак. 1990 3. М. Резников
177
Рис. 188. Устройство газоразрядного
стабилитрона
Рис. 189. Схема стабилизации
напряжения на нагрузке с помощью
стабилитрона тлеющего разряда
Для стабилитронов тлеющего разряда /min находится в пре-
делах 4...5 мА, а /тах — в пределах 10...40 мА. Этими границами
и определяется область применения соответствующих стабили-
заторов.
У обычных ламп тлеющего разряда, например у неоновых,
площадь катода делается малой, и сила тока, которую эти лампы
потребляют, составляет доли миллиампера. В автоматике они
применяются в качестве сигнальных. При их включении (по
схеме, представленной на рисунке 186) выбор сопротивления
ограничительного резистора производится по формуле
Лампы тлеющего разряда долговечны и потребляют мало
энергии.
Кроме того, они малоинерционны, так как в них отсутствует
нагревательный элемент. Сила тока практически синхронно
следует за изменениями напряжения. Это также предоставляет
ряд ценных возможностей при реализации отдельных функций
автоматических устройств.
? 1. При каких условиях реализуется тлеющий разряд? Какой способ эмис-
сии электронов при этом используется?
2. Какова роль электронов и ионов в тлеющем разряде?
3. Какова роль процессов, происходящих в катодном темном пространстве,
в обеспечении тлеющего разрида?
4. Как распределяется падение напряжения в межэлектродиом пространстве
при тлеющем разряде?
S. Почему напряжение зажигания ламиы тлеющего разряда больше на-
пряжения горения?
6. Какими средствами достигаетси снижение напряжения зажигания ламиы
тлеющего разряда?
178
7. В чем состоит особенность вольт-амперной характеристики двухэлектрод-
ной лампы тлеющего разряда? Чем объясняется эта особенность?
8. В чем состоит конструктивное отличие стабилитрона тлеющего разряда
от обычных неоновых газосветных ламп? Как действует стабилизатор напря-
жения на стабилитроне? Как определяется сопротивление ограничительного
резистора для стабилизатора напряжения?
9. Как рассчитывается сопротивление ограничительного резистора для
сигнальной неоновой лампы?
§ 47. НЕКОТОРЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ДВУХЭЛЕКТРОДНЫХ ЛАМП ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И
ЭВМ
Обычные двухэлектродные лампы тлеющего разряда, преиму-
щественно неоновые, используются не только в качестве долго-
вечных, надежных и экономичных сигнальных ламп. Основная
особенность этих ламп — существование определенных значений
напряжения зажигания и напряжения горения — позволяет их
использовать для решения в схемах автоматических устройств
различных функциональных задач.
В качестве примера такого использования неоновых ламп на
рисунке 190 приведена схема задатчика времени, обеспечиваю-
щего необходимую задержку включения или выключения опре-
деленного исполнительного органа. Рассмотрим действие такого
устройства.
После замыкания ключа S начинается зарядка конденсато-
ра С через резисторы Ri и /?2. За определенный промежуток
времени /, который можно регулировать с помощью перемен-
Рнс. 190. Схема реле времени на неоновой лампе
Рис. 191. Схема устройства на неоновой лампе для задержки импульса во времени
7*
179
ного резистора Rz, конденсатор С зарядится до напряжения,
равного напряжению зажигания неоновой лампы Н. По истече-
нии этого промежутка времени неоновая лампа зажигается и
конденсатор С разряжается через нее и катушку электромаг-
нитного реле К1. При этом реле срабатывает и его нормально
разомкнутые контакты S1 замыкаются. На лампу через резистор
R3 поступает напряжение, значение которого достаточно для
поддержания тлеющего разряда (это значит, что сила тока /
в цепи резистора R3 находится в границах между крайними
значениями /mjn и /та, (см. рис. 187) горизонтальной части вольт-
амперной характеристики тлеющего разряда в данной неоновой
лампе).
Если напряжение в сети обозначить через U, а активное
сопротивление обмотки реле — через Rp, то разность U — /(/?з+
+/?р) будет равна напряжению горения лампы.
Надо заметить, что сопротивление резистора R1 больше
сопротивления резистора R3. Поэтому через него может пройти
лишь слабый ток, соответствующий тихому разряду в лампе.
Тихий разряд подготавлийает лампу к немедленному возникно-
вению в ней тлеющего разряда, как только напряжение на кон-
денсаторе достигнет значения напряжения зажигания '.
Одновременно со срабатыванием блокировочной контактной
группы S1 срабатывает также контактная группа S1', вклю-
чающая управляемый исполнительный орган.
С помощью переменного резистора R2 можно регулировать
время запаздывания включения, которое обеспечивается данным
реле времени.
При размыкании ключа S вся система приходит в исходное
состояние и управляемый исполнительный орган немедленно
выключается.
По схеме (рис. 191), близкой к схеме рассмотренного реле
времени, может работать устройство для получения задержки
импульса во времени, используемое в многоразрядном сумма-
торе арифметического устройства ЭВМ на триггерах (см. § 41),
где такое устройство называется линией задержки.
При поступлении на вход положительного импульса лампа
зажигается не сразу, а спустя некоторый промежуток времени /3,
по истечении которого напряжение на заряжающемся конден-
саторе С достигнет значения напряжения зажигания лампы.
Именно в этот момент с нагрузочного резистора R2 будет снят
положительный импульс. Таким образом, появление импульса на
выходе запаздывает на время t3 относительно момента появления
1 Заметим, что в отсутствие тихого разряда возникновение тлеющего
разряда может произойти не сразу в момент достижения напряжением на кон-
денсаторе значения напряжения зажигания. Появление начальных электронов,
необходимых для развития лавинообразного процесса, в этом случае зависит от
случайных факторов (попадание в лампу космического излучения, автоэлек-
тронная эмиссия с катода или из стеклянного баллона и т. п.).
180
193
BxoBI
Вход 2
Пусковой
злектрод
Анод
—- Катод
~~~~~ Стеклянная
трубка
Рис. 192. Схема логического элемента ИЛИ на неоновой лампе
Рис. 193. Схема устройства тиратрона тлеющего разряда
импульса на входе. В этом и состоит функция линии задержки.
Время задержки регулируется подбором емкости С конденсатора.
На неоновых лампах в ряде случаев работают логические
элементы И, ИЛИ и НЕ, используемые при построении автома-
тических устройств и блоков ЭВМ.
На рисунке 192 приведена в качестве примера возможная
схема логического элемента ИЛИ. Если положительный импульс
поступает на анод хотя бы одной из неоновых ламп Hi и Н2, то
с нагрузочного резистора R будет сниматься положительный
импульс.
? 1. Какое свойство неоновых ламп является определяющим- для возмож-
ности их использоваиня в функциональных узлах автоматических устройств
и ЭВМ?
2. В чем состоит основная идея схемы реле времени, работающего на
неоновой лампе?
3. Как действует устройство задержки импульсов, работающее иа неоно-
вой лампе?
4. Как действует логический элемент ИЛИ иа неоновых лампах?
§ 48. ТИРАТРОНЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ЭЛЕМЕНТАХ
АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И ЭВМ
Новые возможности для использования тлеющего разряда в
элементах автоматических устройств предоставляет тиратрон с
холодным катодом. От обычной неоновой лампы он отличается
тем, что в нем между анодом и катодом помещен дополнительный
так называемый пусковой электрод, имеющий форму диска с от-
верстием (рис. 193). При подаче на пусковой электрод достаточно
большого импульса положительного' (относительного катода)
потенциала возникает тлеющий разряд между этим электродом
и катодом. После этого напряжение между анодом и катодом,
прежде недостаточное для создания тлеющего разряда, оказы-
вается достаточным, и разряд между анодом и катодом возникает.
181
Рис. 194. Схема включения тиратрона
тлеющего разряда
Рис. 195. Схема усилителя
положительных электрических
импульсов на тиратроне тлеющего
разряда
Рис. 196. Схема логического элемента
НЕ на тиратроне тлеющего разряда
Это объясняется тем, что благодаря возникновению тлеющего
разряда в цепи пускового электрода вблизи катода образуется
объемный положительный заряд, обеспечивающий возникновение
там же сильного электрического поля. В этом поле положитель-
ные ионы ускоряются до значений энергии, при которых они
вызывают эмиссию электронов из катода. Тлеющий разряд между
анодом и катодом может возникнуть при напряжении между
этими электродами, меньшем напряжения зажигания и близком
к напряжению горения.
Если после возникновения разряда в анодной цепи лампы
поступление на пусковой электрод положительного потенциала
прекратится, тиратрон останется зажженным. Он погаснет лишь
при условии, что анодное напряжение станет меньше напряжения
горения либю будет совсем отключено. Благодаря таким спе-
цифическим свойствам тиратрон тлеющего разряда может пре-
доставить весьма обширные возможности для создания функ-
циональных элементов автоматических устройств и ЭВМ.
Общая схема включения тиратрона тлеющего разряда при-
ведена на рисунке 194. Сопротивление резистора /?/ достаточно
большое, из-за чего в цепи пускового электрода тлеющий раз-
ряд сам по себе не возникает. Образуется лишь тихий (темный)
разряд, подготавливающий этот межэлектродный промежуток к
возникновению тлеющего разряда. Последний возникает при по-
даче на пусковой электрод сравнительно небольшого положи-
182
тельного импульса. Малая величина необходимого пускового
импульса объясняется тем, что пусковой электрод расположен
близко к катоду. Сопротивление R„ нагрузочного резистора не-
велико. Оно обеспечивает возможность возникновения и сущест-
вования в анодной цепи тиратрона тлеющего разряда.
Введя незначительные изменения в общую схему, показан-
ную на рисунке 194, можно получить схемы различных по своему
функциональному назначению устройств. Диод в цепи пускового
электрода служит для того, чтобы не пропустить напряжение
анодного питания во входную цепь.
На рисунке 195 представлена схема усилителя положитель-
ных импульсов. При поступлении на пусковой электрод неболь-
шого положительного импульса в анодной цепи возникает тлею-
щий разряд (тиратрон зажигается). При этом с сопротивления
нагрузки /?„ через дифференцирующую ячейку С — R2 снимается
усиленный импульс.
Схема логического элемента НЕ приведена на рисунке 196.
Пока на входе нет сигнала, на выходе, т. е. на аноде тиратрона,
имеется высокий положительный потенциал. Когда же на вход
будет подан положительный импульс, тиратрон зажжется и анод-
ное напряжение почти полностью будет падать на нагрузочном
резисторе R„ (сопротивление зажженного тиратрона очень мало).
Поэтому потенциал на анодном выводе лампы практически сни-
жается до нуля.
Схема логического элемента ИЛИ, приведенная на рисун-
ке 197, очень проста и не нуждается в пояснениях.
Один из вариантов схемы логического элемента И (на два
входа) приведен на рисунке 198. Положительный импульс, по-
Рис. 197. Схема логического элемента ИЛИ на тиратроне тлеющего разряда
Рис. 198. Схема логического элемента И на тиратроне тлеющего разряда
(с двумя входами)
1«3
Рис. 199. Схема логического элемента И
на тиратроне тлеющего разряда (с про-
извольным числом входов)
данные на входы через диоды DI, D2 и т. д., на пусковой электрод
даваемый на Вход 1 через ре-
зистор /?/ большого сопротив-
ления, создает в цепи пускового
электрода тихий разряд, необ-
ходимый для того, чтобы другой
небольшой положительный им-
пульс, поступающий на Вход 2,
вызвал в цепи этого электрода
тлеющий разряд. Лишь при
одновременном поступлении им-
пульсов и на Вход 1, и на Вход 2
тиратрон зажжется, и на выхо-
де появится положительный им-
пульс.
Схема логического элемента
И с произвольным числом вхо-
дов приведена на рисунке 199.
Положительные импульсы, по-
не попадают.
Что касается положительного импульса, поданного через
резистор R, то он попадет на пусковой электрод лишь при усло-
вии, что диоды DI, D2 и т. д. все заперты. Следовательно, за-
жигание тиратрона может состояться, если положительные им-
пульсы подаются одновременно на все входы (и на первый, и на
второй, и на третий и т. д.).
? 1. Как устроен тиратрон тлеющего разряда? Какова функция пускового
электрода?
2. Как осуществляется зажигание тиратрона?
3. При каких условиях зажженный тиратрон может погаснуть?
4. В каком состоянии должен находиться межэлектродиый промежуток в
цепи пускового электрода до подачи на него пускового импульса?
5. Почему подача положительного импульса на пусковой электрод облег-
чает возникновение тлеющего разряда в анодной цепи тиратрона?
6. Как действует усилитель положительных имнульсов на тиратроне?
7. При введении какого изменения в схему усилитель положительных нм-
нульсов на тиратроне превращается в логический элемент НЕ? Почему?
8. В чем состоит основная идея, заложенная в схеме логического элемента
ИЛИ на тиратроне?
9. Какая особенность функционирования пускового электрода используется
в схеме логического элемента И на тиратроне, схема которого представлена на
рисунке 198?
10. Почему по схеме логического элемента И на тиратроне входные диоды
DI, D2 и т. д. включены ие в прямом, а в обратном направлении? Чем опреде-
ляется необходимая величина положительных импульсов, которые должны быть
одновременно поданы на входы?
184
$ 49. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ
Электрический ток в газах в основном определяется движени-
ем электронов. Вклад движения ионов в общую силу тока очень
мал.
Большой интерес представляет случай, когда электрический
ток образуется пучком электронов, движущихся » вакууме. Этот
случай отличается тем, что электроны не сталкиваются с другими
частицами и поэтому их движением можно эффективно управлять
при помощи электрических и магнитных полей.
Образуются электронные пучки в вакуумных колбах, в ко-
торые помещают катод, модулирующее, ускоряющее, фокусирую-
щее и отклоняющее устройства (рис. 200). Катод представляет
собой металлический колпачок, внутри которого помещен нагре-
вательный элемент.
Нагретый катод испускает электроны (явление термоэлект-
ронной эмиссии). Далее в трубке выполняются следующие
действия:
1) электроны ускоряются (разгоняются) до больших ско-
ростей;
2) весь пучок электронов фокусируется таким образом, чтобы
на определенной поверхности они сходились в одну точку; здесь
говорят об образовании электронного луча и все устройство
называют электронно-лучевой трубкой;
3) в зависимости от функционального назначения электронно-
лучевой трубки осуществляется тот или иной вид управления
электронным лучом, который сводится к изменению его интен-
сивности в пространстве.
Управление интенсивностью электронного луча и ускорение
185
электронов осуществляются с помощью электростатического
поля .
Что касается фокусирования электронного пучка и отклоне-
ния его в пространстве, то эти действия могут осуществляться
как с помощью электрического, так и с помощью магнитного
полей.
Электронно-лучевые трубки с электростатической фокусиров-
кой и электростатическим отклонением луча отличаются меньшей
инерционностью по сравнению с трубками, в которых для этих
целей используется магнитное поле. Именно поэтому электро-
статические электронно-лучевые трубки применяются в автома-
тике, где очень большое значение имеет быстродействие исполь-
зуемых элементов.
Устройство и действие электростатической электронно-лу-
чевой трубки вам известны из основного курса физики X класса.
Поэтому здесь лишь кратко напомним основные процессы, а затем
рассмотрим специфику использования такой трубки в автоматике
в качестве быстродействующего, практически безынерционного
распределителя.
Устройство для формирования электронного луча — электрон-
ный прожектор — расположено в горловине трубки (рис. 200).
Катод К, подогреваемый нагревательным элементом НЭ, ис-
пускает электроны.
Цилиндр М, имеющий отверстие впереди, служит модуля-
тором: с его помощью управляют плотностью электронов в луче.
На этот цилиндр (цилиндр Венельта) подают отрицательный
(относительно катода) потенциал. Поэтому электроны внутри
цилиндра, испытывая отталкивание от боковой поверхности,
концентрируются по оси и под действием электрического поля,
существующего между анодами и катодом, устремляются вперед
через отверстие в переднем днище модулятора. Но ввиду отри-
цательного потенциала модулятора между ним и катодом создает-
ся электрическое поле противоположного направления. Это
поле задерживает электроны. Поэтому число электронов, про-
летающих через отверстие, зависит от потенциала модулятора;
чем этот потенциал ниже, тем меньшей будет плотность электронов
в луче.
Скорость, до которой разгоняются электроны, определяется
потенциалом второго анода относительно катода. Потенциал
первого анода меньше потенциала второго. На окончательную
скорость электронов он не влияет, но от него зависит структура
электростатического поля в трубке. На рисунке 201,а это поле
изображено с помощью эквипотенциальных поверхностей, по от-
' Магнитное поле может влиять на направление движения заряженных
частиц, но ие может изменять значение модуля их скорости. Это объясняется
тем, что магнитная составляющая силы Лоренца направлена перпендикулярно
вектору скорости заряженной частицы.
186
5
Рис. 201. Действие электростатических лииз
ношению к которым линии напряженности являются нормалями,
т. е. образуют с этими поверхностями прямые углы. По внешнему
виду картина эквипотенциальных поверхностей электрического
поля в электронно-лучевой трубке напоминает систему из двух
оптических линз. Это сходство является не только внешним.
Действие электрического поля в трубке на движущийся электрон
сходно с преломлением оптических лучей в системе из двух со-
бирательных линз (рис. 201,6). Подобно световому пучку, пучок
электронов фокусируется, т. е. сходится в одну точку (практи-
чески в небольшой объем). Расстояние до поверхности, на ко-
торой происходит фокусировка, как и качество фокусировки,
регулируют путем изменения потенциала первого анода с по-
мощью потенциометра R2 (см. рис. 200).
Наконец, электронный луч можно отклонять как в вертикаль-
ном, так и в горизонтальном направлении при помощи электри-
ческих полей двух конденсаторов. В зависимости от соотношения
напряжений, подаваемых на две пары отклоняющих пластин,
получают отклонение луча в любой плоскости на нужный угол.
Как известно, электронно-лучевая трубка используется в
электронном осциллографе. Кинескоп телевизора также является
электронно-лучевой трубкой, но с магнитной фокусировкой луча
и магнитной системой его отклонения. Применение электронно-
лучевых трубок в электронных осциллографах и в телевизион-
ных приемниках основано на том, что электронный луч, попадая
в ту или иную точку специального (флюоресцирующего) экрана,
вызывает свечение экрана в этой точке.
187
Рис. 202. Устройство коллектора электронно-лучевого распределителя
Совсем на другом действии быстролетящих электронов осно-
вано применение электронно-лучевой трубки в автоматике в ка-
честве безынерционного, бесконтактного и быстродействующего
распределителя. Это действие заключается в том, что быстро-
летящие электроны, сталкиваясь с металлической поверхностью,
способны при определенных условиях выбивать с этой поверх-
ности так называемые вторичные электроны (вторичная электрон-
ная эмиссия) '.
Вы уже знакомы с сущностью действия электромеханического
распределителя (см. § 19). Это действие состоит в том, что опре-
деленный элемент (например, источник тока или исполнительный
орган) поочередно включается в разные цепи.
В электронно-лучевой трубке, используемой в качестве рас-
пределителя, вместо флюоресцирующего экрана имеется спе-
циальный коллектор, состоящий из множества металлических
пластин-ламелей, расположенных по окружности (рис. 202).
Ламели изготовлены из материала с большим коэффициентом
вторичной эмиссии1 2. Перед коллектором установлен экран с
окнами, расположенными против ламелей коллектора.
Если электронный луч, пройдя через окно в экране, попадает
на ламель, то из последней будет выбито вторичных электронов
больше, чем попало на ламель первичных электронов. Вторич-
ные электроны притягиваются к экрану, который присоединен
ко второму аноду трубки. В результате этого образуется цепь,
представленная на рйсунке 203. Как видно из этого рисунка,
1 При использовании этого явления применяются материалы, иэ которых
каждый ударяющий элеустрон выбивает несколько вторичных электронов.
2 Под коэффициентом вторичной эмиссии понимают отношение К =
(где Hi—число электронов, падающих на ламель, а п? — число выбиваемых
вторичных электронов).
188
Экран -*•
Ламель
--------»
к усилите-
лю
Вторичные электроны
203
Рис. 203. К возникновению импульсов
тока в нагрузочных сопротивлениях
электронно-лучевого распределителя
цепь замыкается за счет дви-
жения вторичных электронов от
ламели к экрану. Эта цепь бу-
дет замкнута, пока электронный
луч сквозь окно экрана попа-
дает на Ламель. Протекающий в
цепи ток проходит по сопротив-
лению нагрузки Я„, и на нем
образуется напряжение U = IR„
которое может быть усилено и
затем подано к исполнитель-
ному органу.
Для того чтобы рассматри-
ваемое устройство работало как
распределитель, электронный
луч должен последовательно переходить через окна экрана с
одной ламели коллектора на другую. При этом будут после-
довательно замыкаться цепи прохождения тока через разные
нагрузочные сопротивления. Это значит, что электронный луч
должен сохранять постоянный угол наклона к оси трубки и вра-
щаться вокруг этой оси, описывая коническую поверхность.
Достичь такого конусообразного движения луча можно по-
дачей на отклоняющие пластины электрических напряжений,
которые изменяются во времени определенным образом '.
Отсутствие механических контактов обеспечивает высокую
надежность электронно-лучевого распределителя.
? 1. В чем состоит особенность (преимущество) электронных пучков в ва-
кууме перед электрическим током в газах?
2. Как действует электростатическая фокусировка электронного пучка?
Каким образом осуществляется настройка фокусирующей системы?
3. Как регулируется сила тока в электронном луче?
4. Как действует коллекторное устройство электронно-лучевого распре-
делители? Какое физическое явление лежит в основе его действия?
5. Какими преимуществами обладает электронно-лучевой распределитель
перед электромеханическим?
Задачи
7.1. Предложите устройство акселерометра с электролитическим датчиком.
Начертите его схему.
7.2. На основе использования электролитического датчика разработайте
конструкцию устройства для измерения скорости ветра.
7.3. Предложите схему логического элемента И иа неоновой лампе.
1 Имеется в виду изменение напряжения по законам функций синуса и ко-
синуса: Ui = L/ostnw/, t/2= t/ocosw/.
189
7.4. Предложите схему триггера на
тиратронах тлеющего разряда.
7.5. Определите, каким /должно
быть напряжение питания устройства
на двух одинаковых неоновых лампах,
схема которого представлена иа ри-
сунке 204, чтобы это устройство могло
заменить тиратрон тлеющего разрндв.
На какой основе определяются необ-
ходимые значения сопротивлений ре-
зисторов RI и R2?
7.6. Предложите способ использо-
вания устройства, схема которого при-
ведена на рисунке 204, в качестве уси-
лителя импульсов. Дополните соотает-
Рис. 204. К задаче 7.5 ствующнм образом эту схему. Чем оп-
ределяется возможность усилительного
действия этого устройства?
7.7. Докажите, что при нзменении напрнжений на отклоняющих пластинах
электронно-лучевой трубки по законам функций синуса н косинуса Ui=l/osinuT,
U2 = t/ocos<of электронный луч будет оннсывать коническую поверхность с часто-
. О)
той повторения v= ——.
Практические работы
Р а б о т а 22. Расчет цепи включения сигнальной неоновой лампы.
Сборка и испытание цепи
Приборы и материалы: неоновая лампа, набор резисторов
[9, 10, 11], источник тока, соединительные провода, ключ.
Ход работы
1. Изучите устройство неоновой лампы. Ознакомьтесь с ее
техническими характеристиками.
2. Рассчитайте сопротивление балластного резистора.
3. Соберите цепь и испытайте ее под напряжением.
Работа 23. Сборка и испытание стабилизатора напряжения
на стабилитроне тлеющего разряда
Приборы и материалы: стабилитрон на панели с зажимами,
набор резисторов [9, 10, 11], соединительные провода, реостат
ползунковый, вольтметры, источник тока, ключ.
Ход работы
1. Ознакомьтесь с устройством стабилитрона, его техниче-
скими данными и вольт-амперной характеристикой.
2. Определите по вольт-амперной характеристике границы
изменения силы тока через стабилитрон. По этим данным и за-
данному номинальному току нагрузки определите границы зна-
190
чения сопротивления балластного резистора и границы изменения
напряжения в сети, в которых осуществляется стабилизация.
3. \По схеме (рис. 205) соберите установку. Изменяя с по-
мощыЬ потенциометра входное напряжение, проследите, в каких
пределах изменения напряжение на выходе остается практически
постоянным. Сравните результат, полученный экспериментально,
со значения границ изменения регулируемого напряжения, по-
лученными при расчете.
Работа 24. Сборка и испытание реле времени
на неоновой лампе
Приборы и материалы: неоновая лампа, конденсатор бумаж-
ный и набор резисторов (постоянных и переменных) [9, 10, 11],
электромагнитное реле [1, 2], источник тока, ключ, электрическая
лампа на подставке, соединительные провода.
Ход работы
1. Изучите устройство неоновой лампы и ознакомьтесь с ее
техническими характеристиками.
2. Ознакомьтесь с электромагнитным реле, обратив внимание
на особенности его контактных групп.
3. Изучите схему задатчика времени (см. рис. 190) и рас-
считайте ориентировочно максимальное время задержки, обеспе-
чиваемое данным реле. (При этом надо учитывать емкость кон-
денсатора, номинальное сопротивление переменного резистора,
а также значения напряжения питания и потенциала зажигания
неоновой лампы.)
4. Испытайте действие установки и составьте градуировоч-
ную таблицу зависимости времени задержки t3 от угла а пово-
рота движка переменного резистора. По данным таблицы по-
стройте градуировочный график зависимости i3=f(a).
Работа 25. Сборка и испытание логических элементов
на тиратронах тлеющего разряда
Приборы и материалы: тира-
троны тлеющего разряда, набор
резисторов |9, 10, 11], конден-
саторы [9, 10, 11], диоды |9, 10,
16], реостат ползунковый, со-
единительные провода, ключ,
источники тока, вольтметр или
электронный осциллограф.
Ход работы
1. Изучите приведенные на
рисунках 196, 197, 198 или 199
схемы логических элементов
НЕ, ИЛИ, И.
191
2. Соберите и испытайте источник электрических импульсов
(см. рис. 151). /
3. Соберите и испытайте один из логических элементов. При
испытаниях пользуйтесь управляемым вручную источни^бм по-
ложительных импульсов. Величину напряжения в импульсе уста-
новите такой, чтобы было обеспечено зажигание тиратрона. При
необходимости одновременной подачи импульсов на нисколько
входов эти входы следует соединить параллельно.
Появление импульса на выходе элемента при испытании от-
мечайте по кратковременному отклонению стрелки вольметра
(лучше для этого воспользоваться электронным осциллографом).
Практикум по моделированию автоматических устройств
1. Общие сведения о моделировании и содержании практикума
Понятие модели каждому известно. Все видели или сами
изготовляли модели самолетов, кораблей или других технических
устройств. Самодельная модель самолета, конечно, отличается
от самого самолета в первую очередь тем, что на модели нельзя
самому летать. Это значит, что модель самолета отличается
от самого самолета размерами (и следовательно, вместимостью),
грузоподъемностью, скоростью полета, максимальной высотой
подъема. По всем этим показателям модель самолета значи-
тельно уступает настоящему самолету. Уступает она и по ряду
качественных показателей (прочность, долговечность и др.).
Однако по наиболее общему признаку модель и самолет не отли-
чаются: они способны летать за счет подъемной силы, возникаю-
щей при обтекании встречным воздушным потоком неподвижных
крыльев, имеющих определенный профиль.
Таким образом, модель 1 воспроизводит лишь основные свойст-
ва объекта; по другим, неосновным признакам она может от-
личаться от объекта. Это отличие необязательно связано с тем,
что модель меньше объекта. В ряде случаев строятся модели,
размеры которых больше размеров объекта (модели атома, мо-
лекул органических веществ, кристаллов, современных полу-
проводниковых микроскопических структур, выполняющих функ-
ции различных узлов ЭВМ и других электронных устройств).
Надо подчеркнуть, что модель должна воспроизводить основ-
ные, наиболее существенные признаки объекта. От моделей надо
отличать макеты, которые воспроизводят лишь внешний вид или
строение объекта, а не его функции.
Техническое моделирование не просто интересное занятие,
а важный этап технического творчества. Именно на моделях
представляется возможным при наименьших затратах средств
1 Здесь речь идет о техническом моделировании. Вообще же понятие модели
примсняе+ся в науке в более широком смысле, что выходит за рамки нашего
рассмотрения.
192
выявить наиболее целесообразные значения параметров созда-
ваемых технических устройств (соотношение размеров; скорости
движения частей конструкций или жидкостей и газов, участ-
вующих в процессах; температура, давление, необходимая сила
тока и пр.).
Практические работы, которые вы должны выполнить, носят
учебный характер. В процессе моделирования вы как бы сопри-
касаетесь с процессом технического творчества и благодаря
этому сможете после окончания школы более сознательно по-
дойти к выбору будущей профессии.
Моделирование на учебных занятиях состоит в сборке (монта-
же) тех или иных устройств из готовых деталей и узлов. Мо-
делирование как решение практической задачи следует выполнять
в такой последовательности:
1) выяснить сущность действия моделируемого устройства;
2) составить принципиальную схему модели;
3) ознакомиться с имеющимися деталями, узлами, материала-
ми, измерительной аппаратурой, инструментом, источниками пи-
тания;
4) ознакомиться с условиями монтажа деталей и узлов
(механическое крепление, выполнение электрических соеди-
нений) ;
5) разработать последовательность монтажа и выполнить
сборку модели;
6) ознакомиться с органами настройки модели и показателя-
ми настройки;
7) выполнить настройку модели на необходимый режим
работы;
8) провести испытание модели в действии.
Все перечисленные этапы совместно составляют содержание
любой из предлагаемых ниже работ по созданию моделей.
Поэтому при описании конкретных работ приведенный общий
план действий не повторяется, а даются лишь необходимые спе-
циальные указания, отражающие специфику той или иной
работы.
Вам рекомендуется выполнить три работы по моделированию
автоматических устройств:
1. Моделирование автоматического регулятора.
2. Моделирование циклического автомата.
3. Моделирование рефлекторного автомата.
Ниже для первой и третьей работ приводятся описания двух
вариантов. Вам предлагается выполнить один из этих вариантов
по своему выбору или по указанию преподавателя.
Кроме того, имеется дополнительная работа при наличии
времени по изготовлению модели простейшего робота.
2. Моделирование автоматических регуляторов
I'i.i
Работа 26. Изготовление модели автоматического
регулятора температуры для термостата
Приборы и материалы: теплоизоляционная камера ’, пластин-
ка биметаллическая [13], детали для сборки электромагнита [17],
штатив школьный, электрическая лампа в патроне, источник
питания, соединительные провода, термометр, секундомер, ключ.
Пояснении к работе
1. После монтажа терморегулятора и включения его испол-
нительных контактов в цепь питания нагревателя (электрической
лампы) отрегулируйте тепловое реле таким образом, чтобы оно
срабатывало (его контактная пара размыкалась) при заданной
температуре в камере (например, при температуре 50°С).
2. Мощность нагревательного элемента (электрической лам-
пы) подберите таким образом, чтобы время замкнутости и время
разомкнутости контактной группы термореле были приблизи-
тельно одинаковы.
3. Методику регулировки реле и подбор мощности нагрева-
тельного элемента продумайте сами и отразите в своих от-
четах о выполнении работы.
4. При испытании термостата определите значения темпера-
туры, при которых происходит включение и выключение нагре-
вательного элемента, а также время замкнутости t3, время разомк-
нутости /р контактов термореле и коэффициент замкнутости
Вопросы
1. Какое применение может найти в быту термостат, в котором поддержи-
вается определенная постоянная температура выше температуры окружающей
среды?
2. Чем в принципе отличаетси домашний холодильник от изготовленной
вами модели термостата?
Работа 27. Изготовление модели автоматического
регулятора уровня жидкости с поплавковым датчиком
Приборы и материалы: сосуды для воды —2 шт., штатив
школьный, электродвигатель универсальный с принадлежностя-
ми [19], ключ, регулятор напряжения, реостат ползунковый, соеди-
1 Теплоизоляционная камера может представлять собой фанерный ящик
с двойными стенками, между которыми находится вата. Ящик должен плотно
закрываться такой же теплоизоляционной крышкой. Камера имеет внутри крон-
штейн для крепления терморегулятора и проходные зажимы для подключения
терморегулятора к источнику питания.
194
нительные провода, масштабная сантиметровая линейка, рези-
новые трубки, секундомер.
Пояснения к работе
1. Установите поплавковый датчик в сосуде для воды, рас-
положенном на возвышении; включите контактную пару датчика
в цепь питания электрического двигателя, у которого хвостовик
вала соединяется с валом насоса; подключите всасывающий и
нагревательный трубопроводы; отрегулируйте поплавковый дат-
чик на замыкание контактов при определенном уровне воды.
2. Для испытания системы создайте сток воды из верхнего
сосуда при помощи сифона в свободный сосуд, при этом реостатом,
включенным в цепь двигателя, регулируйте скорость вращения
двигателя и, следовательно, подачу насоса так, чтобы проме-
жутки времени замкнутости и разомкнутости контактов датчика
были приблизительно одинаковыми.
3. Продумайте и отразите в своих отчетах по работе методику
регулировки датчика и подбора режима двигателя привода во-
дяного насоса.
4. После монтажа установки и регулировки проведите ее
испытание. При этом определите наиболее высокий и наиболее
низкий уровень жидкости в баке, а также время замкнутости t3 и
время разомкнутости tf контактов и коэффициент замкнутости
Вопросы
1. Как изменится коэффициент замкнутости при увеличении расхода воды
и прежнем режиме работы двигателя? Ответ проверьте на опыте.
2. Зависят ли границы изменения уровня жидкости в баке от расходе воды?
3. Моделирование простых циклических автоматов
Работа 28. Изготовление автомата последовательного
включения различных групп иллюминационных
электрических ламп
Приборы и материалы: комплект приборов для демонстрации
программного управления [3], пластинка биметаллическая [13],
конструктор электромеханический [15], катушка проволочная
с сердечником, детали для сборки электромагнита [17], гене-
ратор релаксационных колебаний [18], бумага асбестовая, про-
волока с большим удельным сопротивлением, набор резисторов
[9, 10, 11], батарея конденсаторов БАК-58, регулятор напря-
жения, источники тока, соединительные провода, секундомер,
ключ.
195
Пояснения к работе
1. Простой циклический автомат самопроизвольно повторяет
циклы запрограммированных действий.
Для сборки такого автомата в качестве дискового програм-
ного устройства используется реле-распределитель. Самоход
щетки по контактному полю реле-распределителя можно осу-
ществить с помощью источника пусковых импульсов, включенного
последовательно с катушкой распределителя. В качестве источни-
ка пусковых импульсов используется генератор релаксационных
колебаний или собираются электротермические реле либо пульс-
парная схема.
2. Понятно, что у такого устройства все шаги переключения
совершаются через одинаковые промежутки времени. Это ставит
определенные ограничения при задании программы. Но некоторые
вариации и в этом случае возможны. Так, если необходимо
увеличить время работы какой-нибудь группы ламп, то можно
соответственно две или три ламели распределителя соединить
между собой; чтобы создать паузу, надо в соответствующем
месте одну ламель оставить свободной.
Если число ламелей распределителя меньше числа переклю-
чаемых цепей, можно некоторые цепи объединять в группы.
3. Соберите и испытайте на предлагаемом оборудовании цик-
лический автомат, осуществляющий определенную последова-
тельность включения электрических ламп. Предложите исполь-
зование данного устройства для иллюминации, например, геогра-
фической карты. Это предложение осуществите практически.
4. При испытании устройства необходимо четко различать
значения напряжения питания различных его элементов:
1) электрических ламп; 2) источника пусковых импульсов;
3) реле-распределителя. Эти значения напряжения в общем
случае различны. Поэтому необходимо подобрать источники
питания на соответствующие напряжения.
5. Разработайте схему питания всех элементов данного авто-
мата от одного общего источника. По возможности осуществите
такую систему питания автомата.
Вопросы
1. Как можно изменить продолжительность одного шага реле-распределителя?
2. Подумайте над возможными вариантами изменения программы работы
автомата на предлагаемом оборудовании.
3. Какие, но вашему мнению, циклические автоматы могут быть построены
в условиях школы '?
1 На внеклассных занятиях постарайтесь изготовить учебные пособия, осно-
ванные на использовании географических карт, рисунков, схем с автоматически
переключающимися электрическими лампочками.
196
4. Моделирование рефлекторных автоматических устройств
управления системой электропитания
Работа 29. Изготовление модели устройства автоматического
включения резервного источника электропитания
Приборы и материалы: батарея аккумуляторов, источники
тока, реостат ползунковый, катушка проволочная с сердечником
и детали для сборки электромагнита [17], электрическая лампа
на подставке, реле электромагнитное с двумя контактными груп-
пами (нормально замкнутая контактная пара и контактная
группа, работающая на переключение) [2], полупроводниковый
диод [16], набор резисторов [9, 10, 11], провода соединительные,
ключ.
Пояснения к работе
1. Рефлекторный автомат после выполнения определенного
цикла запрограммированных действий останавливается и может
повторить этот цикл действий лишь при поступлении определен-
ного сигнала извне. При этом информация о характере и после-
довательности действий, составляющих необходимый цикл, вво-
дится при помощи специального программного устройства либо
может быть заложена в электрической схеме и конструктивном
решении автомата.
2. Ситуации, в которых возникает необходимость в автомати-
ческом включении резервного источника питания, в технике
встречаются часто.
Так, для питания потребителей электрического тока на косми-
ческих кораблях используются так называемые солнечные бата-
реи, преобразующие энергию солнечного света в электрическую
энергию. Солнечная батарея является источником тока лишь на
участке траектории полета корабля, расположенном на солнечной
стороне. При попадании же корабля на теневую сторону этот
источник перестает действовать. Здесь и возникает необходи-
мость подключить резервный источник — аккумулятор.
Аналогичная ситуация имеет место на автомобиле. Основным
источником тока на автомобиле является электрический генератор,
который приводится во вращение от автомобильного двигателя
внутреннего сгорания. Но когда двигатель работает на малых
оборотах или совсем выключен и ЭДС генератора уменьшается
или вовсе перестает существовать, то подключают источник —
аккумулятор.
3. Подумайте над схемой автоматического устройства, кото-
рое сможет переключить лампочку (потребитель электрической
энергии в автомобиле) из цепи одного источника тока в цепь
резервного источника тока, когда напряжение в цепи основного
источника тока стало ниже определенной нормы. Кроме лампочки
1ч/
и двух источников тока, в устройство должно входить электро-
магнитное реле. Для изменения напряжения основного источника
тока при испытаниях устройства в работе включите его в схему
посредством потенциометра.
Если создание такого устройства окажется вам не по силам,
обратитесь к первому варианту этой работы, который имеется в
приложении 2.
4. Ознакомьтесь со вторым вариантом данной работы в при-
ложении 2. Соберите установку и испытайте ее в работе.
Вопросы
1. Какие должны предъявлять» требовании к параметрам электромаг-
нитного реле, чтобы устройство нри уменьшении напряжения в цепи основного
источника тока переключало потребитель иа резервный источник тока, а при
достижении номинального напряжения основного источника тока включало
потребитель в основную цепь?
2. Как можно увеличить наприженне срабатывании реле до нужного зна-
чения?
Работа 30. Изготовление модели автоматического
устройства повторного включения нагрузки
Приборы и материалы: электромагнитное реле [2] (контактную
группу реле переделать так, чтобы были две пары нормально
разомкнутых и одна нормально замкнутая), неоновая лампа,
набор конденсаторов [9, 10, 11], электромагнитное реле [1]( ключ,
источник питания, электрическая лампа на подставке, провода
соединительные.
Пояснения к работе
1. Если нагрузка включается при помощи электромагнитного
реле 1 (рис. 206), то после кратковременного отключения напря-
жения (это случается довольно часто) нагрузка оказывается
отключенной. Для ее включения необходимо повторно нажать
пусковую кнопку включения S. Но можно обеспечить и автома-
тическое повторное включение нагрузки. Для этого применяется
реле времени, нормально разомкнутые контакты которого блоки-
руют кнопку пуска S.
Реле времени собирается на неоновой лампе (см. работу 24).
Можно для этой цели использовать электротермическое реле с
нормально разомкнутой контактной парой.
2. Проанализируйте приведенную на рисунке 207 схему и
проследите:
1 Обычно дли этой цели используется специальная разновидность электро-
магнитных реле — магнитные пускатели.
198
а) какие действия происходят в
системе после кратковременного на-
жатия кнопки S;
б) какие действия происходят в
системе при кратковременном ис-
чезновении напряжения в сети;
в) как осуществляется автомати-
ческое повторное включение на-
грузки.
Перед сборкой установки убеди-
тесь, что нагрузка Н, электромаг-
нитное реле К1 и реле времени К2В
рассчитаны на напряжение, равное
напряжению в сети. Если такого сов-
падения нет, то введением балласт-
ных резисторов обеспечьте нормаль-
ную работу обоих реле.
Для этого рассчитайте и подбе-
Рис. 206. Схема включения
нагрузки при помощи
нейтрального электромагнитного
реле с использованием
блокировочных контактов (К —
катушка реле; S — пусковая
кнопка; S' и S" — контакты
реле)
рите необходимые значения сопротивлений этих резисторов.
3. При испытании установки введите ключ S' в общую цепь
питания и ключ S" в цепь задатчика времени К.2В. Вначале
ключ S" разомкните. Этим будет отключен задатчик времени.
Его контакты S2 остаются разомкнутыми.
Замкнув ключ S', пронаблюдайте процесс подключения на-
грузки Н к сети.
Затем на короткое время разомкните ключ S' и снова его
замкните. Нагрузка при этом отключится и останется отклю-
ченной и после замыкания ключа S'.
Замкните ключ S" и снова повторите те же наблюдения.
После кратковременного размыкания ключа S' нагрузка через
некоторое время автоматически подключится к сети.
5. Моделирование простых роботов
207
Рис. 207. К практической работе 30
Работа 31. Изготовление модели автоматического устройства
для включения заднего хода самодвижущейся тележки
при ее встрече с препятствием
Приборы и материалы: самодвижущаяся тележка с электри-
ческим приводом, детали для сборки электромагнита [17], электро-
магнитное реле [2] (контактную группу реле переделать так,
чтобы были две группы, работающие на переключение, и одна
нормально разомкнутая пара), соединительные провода, источ-
ники питания.
Пояснения к работе
1. В отличие от циклических автоматов (и их разновидности —
рефлекторных) роботы, обладая техническим «зрением», реаги-
руют на внешние воздействия и в соответствии с ними в каждом
конкретном случае отрабатывают тождественную программу.
Одной из разновидностей роботов являются различные само-
ходные тележки, которые могут иметь технические «органы
чувств» («зрение», «слух», «осязание»).
Таким роботом был советский луноход, который после вы-
садки на Луну передвигался по ней, обходя препятствия, брал
пробы грунта.
2. В данной работе вы должны снабдить самоходную тележку
ограниченным техническим «осязанием», чтобы при встрече с
препятствием тележка автоматически отступила назад. Это значит,
что должен включаться задний ход двигателя (должно произойти
реверсирование двигателя).
Таким органом «осязания» служит пружинящий бампер с
контактным датчиком. При встрече тележки с препятствием
пружины бампера сжимаются и контакты замыкаются. Датчик
включен в автоматическое устройство реверсирования двигателя.
3. Схема включения заднего хода тележки при встрече с пре-
пятствием приведена на рисунке 208. На этой схеме S — контакт-
ный датчик бампера.
В данной работе предполагается использование модели элект-
родвигателя с постоянным магнитом *. Для реверсирования такого
двигателя достаточно поменять полярность напряжения питания.
Проанализируйте схему и выясните действие устройства.
4. После монтажа и испытания* устройства разработайте до-
полнения к схеме, которые бы обеспечили остановку тележки
через определенный промежуток времени после включения задне-
го хода.
5. Смонтируйте дополнительные элементы и проведите повтор-
ные испытания.
1 В случае использования реверсивного двигателя с двумя обмотками
возбуждения (см. § 24) внесите самостоятельно необходимые изменения в схему
реверсирования двигателя.
200
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Ответы и возможные решения к задачам
2.1. Опущенная монета сначала катится по наклонному желобу. Затем пере-
ходит В горизонтальный желоб, ведущий в монетоприемник (рис. 209). Участком
дна горизонтального желоба является плоская пружина, несущая подвижный
контакт. Контактная пара замыкается при определенном значении веса монеты.
2.2. Надо определить, на сколько опускается гиря за 1 ч. Прежде чем лечь
спать, надо поднять гирю на такую высоту над контактным датчиком, которая
по шкале времени соответствует времени сна. Нормально разомкнутую контакт-
ную пару датчика включают в цепь электрического звонка (рис. 210).
2.3. На мембрану датчика в пылесосе слева действует атмосферное давление
р0 (см. рис. 21). Внутренняя камера датчика 1 соединена с камерой разряжения
пылесоса. Когда пылесос работает, то давление в этой камере ниже атмосферного,
и, следовательно, давление на мембрану датчика справа ниже атмосферного:
р,<ро. При этом мембрана прогибается слева направо и расстояние между
подвижным и неподвижным контактами уменьшается. Если пылесос засорен,
то разница между значениями давления р\ и ро становится больше и мембрана
прогибается сильнее. При определенной разности давлений подвижный контакт
замыкается с неподвижным и загорается сигнальная лампочка 2.
2.4. Схематически автоматический сигнализатор ускорения изображен на
рисунке 211, чувствительным элементом является подвешенный на горизонталь-
ных пружинах груз М.
Если ускорение о* экипажа, на котором установлен сигнализатор, имеет
направление, показанное на рисунке (ускоренное движение), то загорится зе-
леная лампа 3. Если же ускорение имеет противоположное направление (за-
медленное движение), то загорится красная лампа К.
2.5. Можно использовать барабанное программное устройство. Равно-
мерное вращение барабана осуществляется электрическим двигателем.
На барабане укреплены медные пластинки разной длины, соединенные
между собой. При вращении барабана эти пластинки приходят в соприкоснове-
ние со щетками. Если теперь через это устройство включить елочные гирлянды,
то загораться они будут ие одновременно. Изменяя длину медных пластин и их
201
Направление движения
Рис. 210 К решению задачи 2.2
Рис. 211. К решению задачи 2.4
расположение на барабане, можно получить самое различное чередование вклю-
чения и выключения елочных гирлянд (рис. 212).
2.6. Когда уровень воды поднимается до определенной верхней границы,
контакты поплавкового датчика размыкаются и двигатель привода водяного на-
соса выключается.
2.7. Для того чтобы автомат ограничивал уровень опускания воды в баке,
необходимо, чтобы контактная пара поплавкового датчика была нормально
разомкнутой. При опускании уровня воды до определенной границы контакты
датчика замыкаются и включают двигатель привода насоса (рис. 213).
2.8. Когда давление слоя зерна достигает предельного значения, контактный
датчик давления срабатывает (замыкается контактная пара) и происходит вклю-
чение сигнального устройства.
202
Рис. 213. К решению задачи 2.7
2.9. При увеличении давления в баллоне А (рис. 214) проводящая жид-
кость поднимается в правой трубке и замыкает цепь сигнальной лампы.
2.10. Схема электрической сигнализации об уменьшении давления масла
ниже дозволенного значения показана на рисунке 215 (/— подвижный контакт;
2— пружина, воздействующая на подвижный контакт; 3— неподвижный контакт;
4— толкатель, механически соединенный с диафрагмой; Н — контрольная лампоч-
ка на щнтке приборов; G — батарея аккумуляторов).
2.11. Схема автоматической системы сигнализации о снижении давления
масла приведена на рисунке 216.
2.13. Схема представлена на рисунке 217. Реостатный датчик включается
по потенциометрической схеме. Напряжение, снимаемое с потенциометра, по-
дается на вольтметр, который градуируется в единицах силы.
2.14. Пользуясь формулой линейного теплового расширения
Z,= /o (1+а0,
находим, что замыкание контактов произойдет при температуре /=27,7°С.
2.15. Для того чтобы повысить чувствительность, т.е. добиться, чтобы устрой-
2(1.1
Рис. 218. К решению задачи 2.17
Рнс. 219. К решению задачи 2.21
ство срабатывало при меньших изменениях температуры окружающей среды,
следует уменьшить расстояние между контактами или увеличить начальную
длину проволоки.
2.16. 'Искомое значение отношения плеч рычага составляет 19,6.
2.17. Пластина аб должна быть биметаллической. Чтобы зажигание лампочки
сигнализировало о снижении температуры до определенного предела, надо
неподвижный контакт поместить по другую сторону биметаллической пласти-
ны (рис. 218).
2.18. Действие сильфона основано на зависимости давлении насыщенного
пара от температуры.
2.19. Действие дистанционного термометра этого типа основано на зави-
симости давления насыщенного пара от температуры. В них используются
жидкости с низкой температурой кипения.
2.20. Установка может подать сигнал при изменении температуры окру-
жающей среды приблизительно на 0,7 К.
2.21. Схема такого контактного термометра приведена на рисунке 219.
Возможны и другие конструкции.
2.22. Одни нэ воэм'ожных вариантов автоматического указателя уравня
жидкости.показан на рисунке 220. Поплавок 1, находящийся в сосуде с тормоз-
ной жидкостью, механически соединен с подвижным контактом переменного
204
Рис. 220. К решению задачи 2.22
Рис. 221. К решению задачи 2.23
резистора R1, который включен последовательно с резистором R2, батареей
аккумуляторов н гальванометром А.
Резистор R2 необходим для установки в нулевое положение стрелки электро-
измерительного прибора. Шкалу прибора А следует проградуировать в единицах
высоты уровня тормозной жидкости.
2.23. В простейшем случае жидкостный контактный термометр может быть
изготовлен нз тонкой стеклянной трубки, вставленной в колбу с подсоленной
водой (рис. 221).
В открытый конец стеклянной трубки вводятся два проводника, которые
изолированы друг от друга. При нагревании раствор в трубке поднимается.
Когда раствор достигает проводников, то электрическая цепь замкнется и
будет подан световой нлн звуковой сигнал.
2.24. Задача сводится к отысканию зависимости смешения А/ точки К от
изменения частоты вращения Av (см. рис. 34). Один нз возможных вариантов
решения состоит в том, что можно выразить величину центростремительного
ускорения а„ (нормального ускорения) через угол а отклонения плеча регуля-
тора.
Направленная горизонтально сила R, сообщающая центростремительное
ускорение, определяется формулой R = ma„ = 4n2mv2r. Но с другой стороны,
/? = mgtga.
Приравнивая этн два выражения, получаем:
mgtga = 4n2mv2r,
нли
Так как
r = /tg<x,
то
/ —g
4nV’
Введя обозначения
Д/ = / — /|, Av = v — V|.
205
Рис. 222. К решению задачи 3.1
Рис. 223. К решению задачи 3.2
Рис. 224. К решению задачи 3.9
получаем:
,.__ g g 2v-Av
4л2№ 4n',1vf & 4niv’
Разделив числитель и знаменатель на v, находим:
Д/= — g
3.1. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле
___ EoeS
~d~’
где S — площадь перекрытия пластин, d — расстояняе между пластинами
(рис. 222). Так как S = a(b — /), где а—ширина пластины, b — ее длина,
I — смещение пластины от начального положения, то
С= -^-(Ь-/).
3.2. С= —S-—, где S—площадь перекрытия пластин (рнс. 223). Так как
a
S = So-^-,
Л
где So — полная площадь пластин, ср — угол поворота ротора, то
С = ^2-(л-<р).
иЛ
3.3. В данном случае можно рассматривать два параллельно соединенных
конденсатора: воздушный конденсатор С, н конденсатор Сг с жидким диэлектри-
ком. Общая емкость С в этом случае выражается так:
или
п во(Ь — h)a , eoefta
“ d + d '
где а — ширина пластин, h — их высота, h — глубина погружения пластин в
206
жидкость, е — диэлектрическая проницаемость жидкости, d — расстояние между
пластинами.
3.4. С = -|—(см. пояснения
d 2u ।
к решению задачи 3.3),
где
d] — толщина изоляционного слоя, отделяющего пластины от электролита,
а — ширина пластин, b — их высота, ft — глубина погружения пластин в электро-
лит, d — расстояние между пластинами.
3.5. С— | еод(ь~/|)
d d — dt
(см. пояснения к решению задачи 3.3),
где
а—ширина пластин, 6 — высота пластин, d — расстояние между пластинами,
di — толщина металлической пластины, Л — расстояние, на которое металли-
ческая пластина выдвинута из конденсатора.
r_ Wdi е0еа(6—Л)
З.о. С-----т---1—-г-.——гт----j— где
а а (e-f-1) —еа, '
е — диэлектрическая проницаемость
материала пластины, d\—ее толщина, а — ширина пластин конденсатора,
Ь — высота пластин, d — расстояние между пластинами конденсатора, Л — рас-
стояние, на которое диэлектрическая пластина выдвинута нэ конденсатора.
В данном случае мы имеем дело с более сложной системой конденсаторов,
соединенных последовательно и параллельно.
3.7. Будем считать, что емкостный преобразователь, заполненный титанатом
барня, представляет собой плоский конденсатор. Тогда емкость определяется
выражением С = (е0— электрическая постоянная, е — относительная
диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами, S — площадь
пластин, d — расстояние между пластинами). При комнатной температуре
С|= (принимаем, что 5 н d при данном изменении температур можно
считать постоянными). При температуре, соответствующей точке Кюри, емкость
С2 определяется формулой С2= . Поэтому
d с ।
=-£*-= 8,3.
«I
3.8. От уровня жидкости зависит емкость конденсатора. Если конденсатор
зарядить и отключить от источника, то при уменьшении его емкости (при
опускании уровня жидкости) напряжение на конденсаторе будет увеличи-
ваться. Электростатический вольтметр, подключенный к пластинам конденса-
тора, можно проградуировать в единицах высоты уровня жидкости в сосуде.
3.9. Возможен измеритель уровня жидкости, у которого пластины конден-
сатора расположены горизонтально (рис. 224). Отношение разностей потенциалов
при частичном и максимальном заполнении жидкостью межэлектродного прост-
ранства равно обратному отношению соответствующих емкостей конденсатора:
_С1_
1/| Сг '
где Ci— емкость конденсатора, когда между его пластинами все пространство
занято жидкостью с диэлектрической проницаемостью е, С2 — емкость конден-
сатора, когда жидкостью занята лишь часть пространства между пластинами.
В первом случае емкость конденсатора определяется по общей формуле
п BoeS
C'=~d~-
где S — площадь пластин.
Емкость Ci следует рассматривать как сумму емкостей двух последовательно
соединенных конденсаторов. Следовательно,
или
1 _ I d —/ = 1 l + ed-zl
Ci e<>eS e^S eoS e
откуда
r ____________________________ t-ot-S
2“ ed—l(e—1) '
Теперь можно определить отношение напряжений:
U1 ____ Ci______ed — /(е — 1)
U , ~ Сг ~ d
откуда
U2=Ui .
d
3.10. Напряжение на пластинах конденсатора будет изменяться по закону
Uc=Uc.e~^-
где Uc° — максимальная разность потенциалов между пластинами конденсатора,
t — время, в течение которого напряжение меняется на пластинах конденсатора
от Uдо Uс, t = RC, где R — сопротивление резистора, С — емкость конденсатора.
По условию задачи
Поэтому
= Uc„e т , или е х =2.
После логарифмирования получаем:
—=1п2=>т = -Д5-=>/?С= -г^-,
т 1п2 1п2
и, наконец,
С1п2’= 60,5.10-e-2,31g2 = 72 К°М'
3.11. Принимая во внимание рассуждения, приведенные в пояснениях
, /
к задаче 3.10, запишем: — Uc„ = UCae т , или у = е 1 •
Прологарифмировав это выражение, получим:
I 4 4
—=1п -у=>/ = ЯС1п у ,
откуда
/ = 40 10“6 • 1,5-106 • 2,3 • lgl,33= 17с.
4.1. Различаются электрические цепи, изображенные иа рисунке 87, тем,
что цепь на рисунке 87, а содержит электромагнитное реле К1 с нормально
разомкнутыми контактами, а цепь на рисунке 87,6 содержит электромагнитное
реле К2 с нормально замкнутыми контактами. Поэтому при включении кнопки
S1 по обмотке реле К.1 идет ток. Если его значение равно току срабатывания
или несколько больше, то контакты этого реле замыкаются и лампа Н1 вклю-
чается, а при включении кнопки S2 и срабатывании реле К2 цепь лампы Н2
размыкается и она гаснет.
4.2. В данной .элетрнческой цепи имеется электромагнитное реле с двумя
208
Рис. 225. К решению задачи 4.4 Рис. 226. К решению задачи 4.5
контактными парами S/и S1'. Если кнопка S не нажата, лампа Н2 горит;
в цепи лампы Н1 ток не идет. При включении кнопки S реле срабатывает и
лампа Н2 погаснет, а лампа Н1 загорится.
4.3. После нажатия кнопки 5 лампа Н1 загорится. Ток пойдет через обмотку
реле К, и оно сработает; нормально замкнутые контакты разомкнутся, лампа
Н2 погаснет. Эта схема более рациональна, чем схема, приведенная в задаче 4.2,
так как в ней применяется более простое реле (с одной контактной парой) и
необходим лишь один источник тока.
4.4. Схема реверсирования приведена на рисунке 225.
4.5. Схема реверсирования приведена на рисунке 226.
4.6. Один вариант схемы предложен на рисунке 227.
При разомкнутом ключе 5 электромагнитное реле К не включено и через
его нормально замкнутые контакты идет ток к лампе Н2. Если ключ 5 замкнуть,
сработает электромагнитное реле К и загорится лампа Н1, включенная па-
раллельно обмотке реле. Нормально замкнутые контакты реле разомкнутся, и
лампа Н2 выключится.
Схема второго варианта соединений изображена на рисунке 228.
По этой схеме цепь лампы Н2 осталась такой же, как в первом варианте,
а лампа Н1 включается через нормально разомкнутые контакты реле К-
4.7. Из рисунка 91 видно, что рычаг 4 с подвижным контактом удержи-
вается в рабочем положении защелкой якоря электромагнита, а пружина 5
отводит рычаг вправо, когда защелка его не удерживает.
Электромагнит 1 и контактная пара 3 включены в контролируемую электри-
ческую цепь последовательно. Когда сила тока достигает определенного зна-
чения, которое выше установленной нормы, электромагнит притягивает якорь 2.
При этом защелка на якоре освобождает рычаг 4 и он пружиной 5 оттягивается
вправо. Контактная пара 3 при этом размыкается, и контролируемая электри-
ческая цепь выключается.
Рис. 227. К решению задачи 4.6
(вариант I)
Рис. 228. К решению задачи 4.6
(вариант 2)
8. Зак. <990 3. М. Резиикоп
209
После этого возврат предохрани-
теля в исходное положение осущест-
вляется вручную путем нажатня кноп-
ки на корпусе прибора.
4.8. Управляющий ток проходит
через обмотку 2, в результате чего
между полюсными наконечниками маг-
ннтопровода 1 возникает магнитное
поле, которое вызывает поворот якоря 3.
Если усилие, вызываемое магнит-
ным полем тока, становится больше про-
тиводействующего усилия, создаваемо-
го пружиной, то сердечник втягива-
ется в поле электромагнита. Прн этом
подвижная часть поворачивается и
подвижный контакт 5 замыкает не-
подвижные контакты 6; реле сраба-
тывает.
4.9. Прн замыкании ключа S (см.
Рис. 229. К решению задачи 4.11 рис. 93) должна загораться лампочка Я
н ток пройдет через обмотку электро-
магнитного реле’К/. При достижении в обмотке реле KI тока, достаточного для
срабатывания реле, произойдет размыкание контактов SI, S1' и цепь питания
электрической лампочки Н и обмотки реле разрывается. В результате контакты
S1 и S' вновь замыкаются. После этого все начнет повторяться. Таким образом,
с определенной частотой будут включаться и выключаться реле н лампочка.
Частоте возникших автоколебаний будет зависеть от индуктивного сопротив-
ления .обмоткн реле и от других причин.
4.10. Если параллельно обмотке реле включить конденсатор (см. рис. 93),
то при замкнутой цепи питания электромагнитного реле этот конденсатор
зарядится. Когда реле сработает и его контакты 5/ н S1' разомкнутся, тогда
конденсатор С начнет разряжаться через обмотку реле К1 н тем самым время от
выключения питания реле до отлипания якоря увеличится, а частота автоколе-
баний уменьшится. С увеличением емкости конденсатора частота будет умень-
шаться.
4.11. Изменение силы тока в обмотках реле пульс-пары н в лампе Н пока-
зано на рисунке 229. Полный период Т пульс-пары состоит из четырех отрезков
времени: времени срабатывания реле К — тср времени срабатывания реле
К2 — тср 2, времени отпускания реле KI— тотп , и времени отпускания реле
*2-тотл. 2.
4.12. Происходит увеличение времени срабатывания реле вследствие того,
что параллельно обмотке реле включен конденсатор.
Электромагнитное реле К.1 срабатывает тогда, когда напряжение на обкладках
конденсатора С достигнет определенного значения. Здесь происходят следую-
210
щие явления. После замыкания ключа S электрический ток заряжает конден-
сатор С и при этом проходит через резистор R. От соотношения величин R и
С будет зависеть время, в течение которого напряжение на обкладках конден-
сатора поднимется от нуля до величины срабатывания реле KI. Поэтому от
момента замыкания ключа S до срабатывания реле KI проходит некоторое
время.
4.13. Конструкция может быть выполнена следующим образом: форточка
открывается пружиной, а в закрытом положении ее удерживает защелка 3
(рис. 230). Защелка соединяется с якорем электромагнита В. Электрическая
цепь электромагнита питается через контакты термометра /. Когда при уве-
личении температуры контакты термометра / замыкаются, электромагнит при-
тягивает якорь, который убирает защелку и освобождает форточку, и упругие
силы пружины открывают ее.
4.14. В качестве температурного преобразователя применяется контактный
термометр. Но не всегда через его контактное устройство можно включить
электрическую цепь вентилятора. Поэтому нужно использовать электромагнит-
ное реле в качестве усилителя мощности. Цепь питания реле К включается
через контактный термометр / (рис. 231). Цепь питания вентилятопя вклю-
чается последовательно через нормально разомкнутые контакты S реле К. Когда
в комнате станет жарко (температуру, соответствующую данному состоянию,
можно установить предварительно), контактный термометр / замыкает цепь
питания электромагнитного реле К и оно срабатывает. Вслед за этим замы-
каются контакты S реле и- электрическая цепь вентилятора переводится в ра-
бочее состояние. Вентилятор начинает работать.
4.15. Схема установки приведена на рисунке 232. Сопротивление почвы
между двумя зондами зависит от ее влажности. Когда почва становится доста-
точно сухой, реле отпускает и его нормально замкнутые контакты включают
дождевальную установку.
4.16. Защита постоянно нагруженного двигателя от перегрева при пони-
женном напряжении *в сети обеспечивается его отключением при снижении на-
пряжения до определенной границы. Такое отключение выполняет реле (рис. 233),
у которого напряжение отпускания равно указанной нижней границе, пре-
дельно безопасной для двигателя.
4.17. Если даже кратковременно замкнуть кнопку S (см. рис. 96), то через
обмотку электромагнитного реле KI пройдет ток и реле сработает. При этом
замыкаются нормально разомкнутые контакты SI' и включается электродви-
гатель М. Вторая пара контактов SI блокирует пусковую кнопку, поэтому после
отпускания кнопки S цепь обмотки реле остается включеияой и реле находится
в сработанном состоянии — двигатель продолжает работать.
Для отключения электродвигателя надо обесточить цепь питания обмотки
реле. Разомкнуть эту цепь лучше всего на участке АВ. Сделать это можно с
помощью ключа или кнопки с нормально замкнутыми контактами S2 (рис. 234).
Другой вариант схемы магнитного пускателя показан на рисуцке 235.
При кратковременном нажатии кнопки Пуск, замыкается цепь катушки
реле, которое при этом срабатывает. Одна контактная пара реле выключает
—-------->
В цепь
двигателя
дождевальной
установки
---------►
232
Рис. 232. К решению задачи 4.15 Рнс.
8
211
Рис. 234. К решению задачи 4.17 Рис. 235. К решению задачи 4.17
(вариант 1) (вариант 2)
двигатель, а вторая блокирует контакты кнопки Пуск.. Для выключения дви-
гателя в цепь катушки реле включается последовательно кнопка Стоп, рабо-
тающая на размыкание. При нажатии этой кнопки катушка реле обесточи-
вается и обе его контактные пары размыкаются. Для повторного включения
потребуется новое нажатие кнопки Пуск.
4.18. Для дистанционного управления двигателем в производственных
условиях можно применить систему, в основном соответствующую схеме, при-
веденной иа рисунке 235. Отличие' состоит в том, что вместо кнопок Пуск и
Стоп включаются нормально разомкнутые контактные пары S2 и 5з двух реле К2
и КЗ (рис. 236). В цепи управления реле включаются электрические кнопки с
нормально разомкнутыми и соответственно нормально замкнутыми контактами.
Эти кнопки могут быть вынесены на пЛт управления, удаленный от двигателя
и самих реле.
Для возможности управления двигателем с различных пультов включают
несколько кнопок Пуск параллельно и несколько кнопок Стол последовательно
друг с другом. На рисунке показан случай управления двигателем с двух
пультов.
4.19. Возможная схема представлена иа рисунке 237.
4.20. При включении ключа S в обмотке управления реле возникает ток,
направление которого показано двумя стрелками на рисунке 238. Этот ток
создает в магиитопроводе магнитное поле, линии индукции которого изобра-
жены штриховыми линиями. Их направление определяется по правилу правого
винта. Созданный током магнитный поток Ф> складывается с магнитным по-
током Фг постоянного магнита, линии индукции магнитного поля которого
показаны в магиитопроводе сплошными линиями.
Как видно по рисунку 238, в левой половине магиитопровода линии индук-
ции обоих магнитных полей имеют одинаковые направления и поэтому резуль-
212
Рис. 237. К решению задачи 4.19
Рис. 238. К решению задачи 4.20
тирующий магнитный поток Ф' равен сумме Ф. н Фг: Ф' = Ф>+Фг. В правой
половине результирующий магнитный поток Ф" равен разности между Ф| и
Фг'. ф" = ф1 — ф2. По этой причине якорь реле вместе с подвижным контактом
отклонится в сторону большего магнитного потока Ф' и произойдет замыкание
контактов 3 и 2. Подаижиый контакт отклоняется влево (по рисунку).
4.21. По правилу левой руки определяем направление сил и г2, действую-
щих иа стороны а и б рамки (рнс. 239). Произойдет замыкание контактов 2—3.
4.22. В пульс-парной схеме обмотка управления одного реле должна быть
включена через нормально разомкнутые контакты второго реле, а обмотка управ-
ления второго реле — через нормально замкнутые контакты первого реле (или
наоборот). Исправленная схема приведена иа рисунке 240.
4.23. Полная схема реверсирования двигателя путем изменения направления
тока в обмотке якоря приведена иа рисунке 241.
4.24. Для определения направления вращения якоря электродвигатели
постоянного тока (см. рнс. 101) находим вначале по правилу правого винта
направление линий индукции магнитного поля, которое создается током возбуж-
дения. Затем по правилу левой руки определяем направление сил Ампера, ко-
торые действуют иа проводники с токами в обмотке якоря. Этн силы вызовут
вращение якоря против часовой стрелки.
6.1. Принципиальная схема реле-прерывателя сигнальной лампы для вклю-
чения ручного тормоза даиа иа рисунке 242 (/— биметаллическая пластинка;
2—обмотка реле-прерывателя; Н—сигнальная лампа иа щнтке приборов;
5 — выключатель реле, расположенный под рукояткой ручного тормоза; GH —
батарея аккумуляторов).
13
Рис. 241. К решению задачи 4.23
(максимальном) значении силы
тины приводит к освобождению
грузки.
Предел срабатывания реле
в
5.2. Для устранения влияния тем-
пературы окружающей среды на значе-
ние силы тока срабатывания электро-
термического реле необходимо обе кон-
тактные пружины изготовлять из оди-
накового биметаллического листового
материала. При этом важно их распо-
ложить так, чтобы в результате изме-
нения температуры окружающей среды
они изгибались в одну и ту же сторо-
ну (рис. 243). Лишь избыточный нагрев
одной из пластин за счет прохождения
тока по нагревательному элементу при-
водит к срабатыванию реле.
5.3. Электротермическое реле ис-
пользуется в качестве реле времени.
5.4. Чем больше сила тока, потреб-
ляемого нагрузкой, тем сильнее нагре-
вается проволочный резистор 3 (см.
рис. 144). За счет количества теплоты,
отдаваемого резистором, нагревается
биметаллическая пластина 1, которая
при этом изгибается. При определенном
нагрузке изгиб биметаллической плас-
тока
защелки 5 и, следовательно, к отключению на-
Предел срабатывания реле можно изменить путем изменения параметров
проволочного резистора. Уменьшить или увеличить ток срабатывания можно
путем увеличения или уменьшения сопротивления проволочного резистора.
5.5. Пользуясь формулами R = p^-, S = и R = Яо( 1 + а(), находим
следующее выражение для изменения температуры проволочного резистора:
4/ g(t2-t,)
nD2 1 + at<
Подставив соответствующие значения величин, получаем:
ДЯ=25,7 Ом.
5.6. Ток в обмотке реле К отсутствует, если потенциалы точек С и D оди-
наковы (рис. 244). В этом случае
Uac=Uad и Ucb=UdB'
или
hRt = I2R1, IiRi = I2R2.
243
243. К решению задачи 5.2
214
Отсюда -ф-= или =
АЗ А2 А2
Подбирая сопротивление резисто-
ров /?|, R? и R3, можно добиться от-
сутствия тока в обмотке реле при
определенной температуре среды, в ко-
торой находится термистор.
5.7. Схема пульс-пары на двух
электротермических реле представлена
иа рисунке 245.
Полный период пульс-пары явля-
ется суммой времен срабатывания и от-
пускания обоих реле:
244
Рис. 244. К решению задачи 5.6
Т ^ср.1 4“ ^ср.2 “Ь ^отп. 1 + ^отп.2.
При увеличении температуры окру-
жающей среды время срабатывания
электротермических реле уменьшается,
Время же их отпускания увеличивается.
В связи с этим период пульс-пары малЪ
зависит от температуры среды.
5.8. На рисунке 246 приведена необходимая схема включения проволочных
резисторных датчиков температуры. Применение такой схемы оправдано тем,
что с увеличением температур сред, окружающих эти датчики, увеличиваются
значения их сопротивлений и, следовательно, увеличиваются также падения
напряжения на них. Можно ожидать поэтому, что измеряемая разность потен-
циалов между точками А и В мостовой схемы будет зависеть лишь от разности
температур. Покажем это математически.
Примем /?(|.о = /?<2,о = ^з = /?4 = /?о.
т , U , и
Тогда Л = ——— , /г= » ! о—
Так как = /?0( 1 +<х6), /?6 = /?0(1 +ос6),
то
' /?0(2 + а/,) ’ /а - /?0(2 + а/г) '
Поэтому падения напряжения U\ и 77а иа резисторах Rt{ и Rt2 выразятся так:
1 /|- 2 + а/, '
245
Рис. 245. К решению задачи 5.7
246
Рис. 246. К решению задачи 5.Н
215
Рнс. 247. К решению задачи 5.11
Теперь можно найти разность потенциалов между точками Л и fl:
а(/,— G)
ила = l/> - Ut = U (2+а/1) (2 + а6)-
Отсюда видно, что выполнение условия пропорциональности величины UАв
разности температур 6 — fa приблизительно имеет место лишь при afa<g,2 и
<х/г«2.
Приведенные выкладки относятся только к проволочным резисторным дат-
чикам температуры. Если в качестве датчиков температуры применяются тер-
мисторы, то такой анализ ие применим, так как зависимость их сопротивления
от температуры иосит нелинейный характер.
5.9. Расчет произвести по указаниям, содержащимся в § 28.
5.10. Предполагая, что при уменьшении напряжения в сети иа 10% от
номинального обратный ток диода уменьшается до нулевого значения, можно
для значения обратного тока, соответствующего номинальному напряжению в
сети, записать:
, 220 В-0,1
'° =------д—)
где R — сопротивление гасящего резистора.
С другой стороны, при номинальном значении напряжения в сети имеем:
220 В-100 B = /?(/D + /H),
22
где 1и — сила тока в нагрузке. Следовательно, 120 = /?4-0,6). Отсюда
/? = 163 Ом.
5.11. Благодаря дифференцирующей /?С-ячейке (рис. 247 а,б) иа выходе
получаются два импульса, из которых одни положительный, а второй отри-
цательный. Включив соответствующим образом в выходную цепь полупровод-
никовый диод, можно сиять с усилителя любой из этих импульсов (положи-
тельный или отрицательный).
5.12. Если усилитель работает по схеме с общей базой (рис. 248 а), то коэф-
фициент усиления по току равен /С = а<1, а коэффициент усиления по напря-
жению Х„ = а . Входное сопротивление /?вк в этом случае мало (~102 Ом);
"вх
если нагрузочное сопротивление взять достаточно большим, то можно получить
достаточно большой коэффициент усиления по напряжению.
В случае, когда усилитель собран по схеме с общим эмиттером (рис. 248,6),
коэффициент усиления по тону
216
Рис. 248. К решению задачи 5.12
Так как а близко к I, то при такой схеме можно получить достаточно боль-
шой коэффициент усиления по току.
Коэффициент усиления по напряжению при схеме с общим эмиттером при-
близительно такой же, как в случае усилителя, работающего по схеме с общей
базой.
5.13. Мощность тока Р в нагрузке может быть выражена как разность
между полной мощностью в цепи 8TJ и мощностью на внутреннем сопротивле-
нии Рг:
Р=91 — 12г.
Это выражение преобразуем следующим образом:
2 ер 2
Р= _ JL/)= -^-2^/+-^ - ^).
или
Отсюда видно, что мощность в нагрузке максимальна при ! = Но по за-
кону Ома для полной цепи имеем:
где R — сопротивление нагрузки. Следовательно, максимальная мощность в
нагрузке получается при R = r, т. е. когда сопротивление нагрузки равно внутрен-
нему сопротивлению источника. Применяя этот результат к коллекторной цепи
транзисторного усилителя, работающего по схеме с общим эмиттером, приходим
к выводу, что мощность в нагрузке максимальна, когда сопротивление нагрузки
равно обратному сопротивлению коллекторного перехода.
5.14. Схема непосредственного включения нагрузки (например, сигнальной
электрической лампы Н) в коллекторную цепь одного из триодов триггера
изображена на рисунке 249. На рисунке 250 показана схема подключения на-
грузки к триггеру через дополнительный усилитель.
5.15. На рисунке 251 приведена схема триггера, иа которой показан способ
включения /?С-ячейки с диодом для получения иа выходе положительных им-
пульсов. При обратном включении диода на выходе получаются отрицательные
импульсы.
5.16. Способ включения в схеме несимметричного триггера вместо резистора
смещения батареи показан на рисунке 252. Левый триод запирается с помощью
батареи.
5.17. Возможны различные варианты решения данной задачи. Прицедим
одни из них.
217
Рис. 249. К решению задачи 5.14 (задание 1)
Рис. 250. К решению задачи 5.14 (задание 2)
В качестве основной части амплитудного селектора импульсов можно ис-
пользовать диодный ключ, работающий в режиме «с отсечкой». Схема такого
ключа приведена на рисунке 253. Особенностью этой схемы является вклю-
чение источника постоянного напряжения 4g таким образом, чтобы его поляр-
ность соответствовала обратному направлению диода D.
От положительных импульсов, поступающих иа вход, ключ «отсекает» снизу
часть высотой 4g. Импульсы, высота которых меньше 4g, вообще не пройдут.
Полученные на выходе отсеченные импульсы можно далее подать иа тран-
зисторный ключ-повторитель, который нх усилит и выравняет по высоте (рис. 254).
6.1. Изменения в схеме, приведенной в рисунке 155, состоят в обратном
включении входных диодов, включая и диод на входе Гашение. Чтобы импульс,
поданный на вход гашения, всегда переводил триггер из рабочего в начальное
состояние, надо после введения этого изменения' принять за начальное такое
состояние, в котором триод Т1 открыт, а триод Т2 заперт. После этого переход
триггера из начального состояния в рабочее вызовет появление иа выходе
отрицательного (относительно Общей шины) импульса.
6.2. Изменится знак импульсов на выходе.
6.3. Перевод входа Гашение с одного триода на другой приводит к необ-
218
Рис. 252. К решению задачи 5.16
Рис. 253. К решению задачи 5.17
Рис. 256. К решению задачи 6.5
Рис. 255. К решению задачи 6.4
Рис. 257. К решению задачи 6.6
Рис. 258. К решению задачи 6.7
ходимости принять за начальное то состояние, которое до этого считалось
рабочим.
в.4. Для получения положительных импульсов можно воспользоваться
установкой, собираемой по схеме, представленной иа рисунке 255, а. Отрица-
тельные импульсы могут быть получены с помощью установки, схема которой
приведена иа рисунке 255, б.
6.5. Одна из схем коммутационной цепи логического элемента И представ-
лена на рисунке 256.
220
269
— о
Рис. 259. К решению задачи 6.8
Рис. 260. К решению задачи 6.9
6.6. Одна из схем коммутационной цепи логического элемента ИЛИ пред-
ставлена иа рисунке 257.
6.7. Одна нз схем коммутационной цепи логического элемента НЕ пред-
ставлена на рисунке 258.
6.8. Одна из возможных электронных схем логического элемента И приме-
нительно к использованию отрицательных импульсов приведена иа рисунке 259.
Только при поступлении на все входы отрицательных импульсов все диоды
будут заперты и тока в цепи не будет. Поэтому на выходе появится отрицатель-
ный импульс. Важным условием для работы устройства является соблюдение
неравенства r<^R.
6.9. Применительно к отрицательным импульсам схема электронного ло-
гического элемента ИЛИ может иметь вид, представленный на рисунке 260.
6.10. Схема электронного логического элемента НЕ для отрицательных им-
пульсов приведена на рисунке 261. Триод заперт за счет напряжения батареи G.
При поступлении на вход отрицательного импульса происходит отпирание
триода и разность потенциалов на выходе практически становится равной'нулю.
Наоборот, при отсутствии импульса на выходе имеется отрицательный потен-
циал (относительно Общей шины).
7.1. Чтобы получить акселерометр, следует к мембране электролитического
датчика механических воздействий прикрепить инерционный элемент (пластину
значительной массы).
7.2. Электролитический датчик механического воздействия может приме-
няться для измерения скорости ветра, если с помощью киля — стабилизатора
и шарнирного крепления обеспечить такую его ориентировку, при которой мем-
брана всегда оказывается перпендикулярной направлению ветра.
7.3. Схема логического элемента И на неоновой лампе приведена на ри-
сунке 262. Положительный импульс, поступающий иа анод неоновой лампы
через ограничительный резистор R, приведет к зажиганию лампы лишь п том
случае, если такие же положительные импульсы одновременно поступят на
остальные входы и запрут все диоды. При этом на выходе появится положи-
тельный импульс.
В противном случае (если хотя бы один диод не заперт) ток пойдет через
резистор R, диод и резистор г. Из-за падения напряжения на резисторе R
потенциал анода будет недостаточным для зажигания лампы и на выходе им-
пульса не будет.
7.4. Схема триггера с двумя раздельными входами на тиратронах тлеющего
разряда приведена на рисунке 263. Если положительный импульс поступит,
например, на пусковой электрод левого (по схеме) тиратрона, этот тиратрон
зажжется. При этом второй тиратрон должен погаснуть (если он был ранее
221
— о
262
Вход
±6
261
Выход
Общая шина
Рис. 261. К решению задачи 6.10
Рис. 265. К решению задачи 7.7
зажжен). Действительно, при зажигании тиратрона Н1 потенциал его анод;)
уменьшается, и поэтому начинается зарядка конденсатора С через резистор А".1
и лампу Н1. Вследствие падения напряжения иа резисторе R2, вызванного про
теканием зарядного тока, потенциал анода тиратрона Н2 снижается, и ои racin'i
Аналогично протекают процессы при подаче положительного импульса иа второй
вход. Система имеет два устойчивых состояния: 1) лампа Н1 открыта, а лампа
Н2 заперта; 2) лампа Н1 заперта, а лампа Н2 открыта.
7.5. Лампа Н2 должна находиться в режиме подготовительного (тихого)
разряда. Именно этим определяется выбор значения сопротивления резистора
R2 (см. рис. 204). Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы при
значении тока / = ^чах + ^mm (где и /n jn _ крайние значения силы тока
для горизонтального участка вольт-амперной характеристики используемых
неоновых ламп) разность между напряжением в сети и падением напряжения
на этом резисторе была равна удвоенному значению напряжения горения неоно-
вой лампы.
7.6. Усилительное действие такого устройства определяется тем, что сопро-
тивление нагрузки может быть значительно больше входного сопротивления.
Усиленные импульсы можно снимать с анода лампы Н1 через дифференцирую-
щую ЯС-ячейку (рис. 264).
7.7 Если в плоскости коллектора выбрать систему декартовых координат
с началом в центре коллектора (рис. 265), то координата конца электронного
луча будет пропорциональна напряжению U\ = L/osin ы/, т. е. x = kUt, а координата
у — напряжению С/2 = t/0coswt, т. е. y = kUi. Удаление следа электронного луча
от начала координат определяется так:
г = д/х2 + у2 = xJk'Uti sin2 со/+ A2 L/2 cos2 i»l = kUn.
Постоянство радиус-вектора г и означает, что след электронного луча будет
на поверхности коллектора описывать окружность, переходя с одной ламели
на другую.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Решения и ответы к практическим работам
Работа 1
2. Возможная схема снгиализации приведена на рисунке 266.
4. Сигнализация о достижении необходимой концентрации раствора для
лечебных ванн (например, раствора морской соли); сигнализация о необходи-
мой концентрации сахара в кондитерской промышленности.
Работа 2
4. Возможная схема сигнализации приведена на рисунке 267.
Работа 3
4. Возможная схема установки приведена на рисунке 268.
5. В электрическом утюге, в электрохолодильнике, в электрическом ра-
диаторе, термостате инкубатора, в металлических термометрах.
Работа 4
1. В цепи с реостатом (рис. 269) сила тока 1тлг прн полностью выведенном
реостате ие должна превосходить нбминальиый ток реостата 1И. Это требование
удовлетворяется соответствующим выбором сопротивления нагрузки Яп. На
проволочных лабораторных реостатах номинальный ток /н указывается. На
непроволочных же высокоомных переменных резисторах указывается допустимая
мощность рассеивания теплоты через нх поверхность. В этом случае номиналь-
ный ток находится из равенства
Р=/2н«.
где R — полное (максимальное) сопротивление переменного резистора.
Номинальный ток включаемого в цепь амперметра (миллиамперметра)
должен превосходить номинальный ток нагрузки.
3. Сначала определяют значение номинального напряжения, которое может
быть подведено к данному переменному резистору. При этом исходят из номи-
нальных значений мощности рассеяния Р„ и сопротивления переменного
резистора.
U2
Из уравнения Ри= находим напряжение Uu.
"н
Рис. 266. К выполнению практической Рис. 267. К выполнению практической
работы 1 работы 2
224
Рис. 268. К выполнению практической работы 3
270
Рис. 269. К выполнению практической работы 4 (п. 1)
Рис. 270. К выполнению практической работы 4 (п. 3)
Номинальное значение силы тока /,, определяют по формуле
или по закону Ома:
Сопротивление нагрузки, подключаемой к потенциометру (рис. 270), должно
превосходить номинальное сопротивление используемого переменного резистора
не менее чем в 5 раз. В противном случае заметно нарушается пропорциональ-
ность регулирования напряжения.
Работа 5
6, а. Датчик фиксирует промежуток времени /, за который конденсатор С
(рис. 47) разряжается от напряжения Ui=‘#i до напряжения, которое немного
меньше значения Ui= В результате разрядки конденсатора до такого на-
пряжения диод D2 отпирается и в цепи катушки реле протекает ток. Когда
последний достигает значения тока срабатывания, электромагнитное реле сра^
батывает. Отсюда следует, что выдержка времени может получиться лишь при
УСЛОВИИ, ЧТО
Время задержки t определяется из условия
/
? К’ ffiC = ^2— ^ср(Яа + Яр + rt)l
где Яр — сопротивление обмотки электромагнитного реле, гг—внутреннее со-
противление источника D2, /с(, — сила тока срабатывания электромагнитного
реле.
Логарифмируя обе стороны равенства и решив его относительно /, получим:
t = Я, С1п —-----------------
(Яа + Яр + га) ’
или, перейдя к десятичным логарифмам,
/ = 2,ЗЯ,С1в -------------------
^2 —4р(Я2 + Яр + Г2)
6, б. Ток по катушке электромагнитного реле начинает протекать, когда
напряжение U на конденсаторе С становится равным ЭДС ^2 источника <12
6, в. Диоды DI и D2 предназначены для развязки цепей (цени рп :рядкп
конденсатора С и цепи электромагнитного реле). Лишь обще»-дли обеих цепей
напряжение на переменном резисторе Я/, выраженное равенством (/). опре
деляет связь между срабатыванием реле и разрядкой конденсатора ('.
225
Рис. 271. К выполнению практической
работы 6
Работа 6
1. Схема установки приведена на
рисунке 271.
4. Изменение хода якоря, упругости
контактных пластин, количества кон-
тактных пар, а также упругости воз-
вратной пружины приводят к изменению
механических параметров реле.
Работа 7
I. Схема установки для измерения
времени срабатывания электромагнит-
ного реле приведена на рисунке 272, а,
а для измерения времени отпускания —
на рисунке 272, б. Время измеряется
при помощи электрического секундо-
мера.
Работа 8
2. Схема соединений приведена на рисунке 273.
3. Схема цепи приведена на рисунке 274.
Работа 9
I. Схема устройства приведена иа рисунке 275.
2. Схема установки приведена на рисунке 276.
5. Схема пульс-пары приведена на рисунке 71.
Работа 10
1. Схема испытания шагового распределителя
(определения его электри-
Рис. 272. К выполнению практической
работы 7
Рис. 275. К выполнению практической работы 9 (п. 1)
226
277
Рнс. 276. К выполнению практической работы 9 (п. 2)
Рис. 277. К выполнению практической работы 11 (п. 4)
Рис. 278. К выполнению практической работы 12 (п. 2)
Рис. 279. К выполнению практической работы 13
ческих параметров) такая же, как и схема нспытання обычного электромагнит
ного реле (см. рнс. 272, 274).
4. Для определения продолжительности одного шага распределителя пеоб
ходимо с помощью секундомера измерить промежуток времени между момеп
тами зажигания двух электрических ламп, включенных через соседние ламели
распределителя.
Работа 11
1. Рабочее напряжение для электродвигателя дается в его паспорте. По
этому измерение этого напряжения следует провести только при отсутствии
паспортных данных.
Измерение тока холостого хода электродвигателя следует проводить, снаб-
див амперметр закорачивающим устройством. Когда электродвигатель нклю
чается в цепь электрического питания, амперметр закорачивается, так как
пусковой ток большой. После того как вращение якоря установилось, закора-
чивающее устройство размыкают и измеряют ток.
2. Схему реверсирования сериесного двигателя смотрите иа рисунке 84.
3. Схему реверсирования двигателя с независимым возбуждением смотрите
иа рисунке 86.
4. Для снятия регулировочной характеристики двигателя с независимым
возбуждением надо собрать установку по схеме, приведенной на рисунке 277.
Работа 12.
- 2. Схема включения электротермического реле приведена на рисунке 278.
4. В случае нормально замкнутых контактов надо увеличить силу давления,
т. е. прогиб контактных пружин. Прн нормально разомкнутых контактах время
задержки увеличится, если прн регулировке увеличить начальное расстояние
между ними.
Рис. 280. К выполнению практической работы 15 (вариант 2)
Рис. 281. К выполнению практической работы 12 (п. 5)
Работа 13
2. Мостовая схема включения термистора R, в качестве датчика темпера-
туры приведена на рисунке 279. Переменный резистор R2 служит для установки
начального положения стрелки.
Работа 14 (вариант 1)
1. Схема стабилизатора напряжения на термисторе приведена на рисунке 112.
3,4. Способ расчета сопротивления компенсирующего и гасящего резисто-
ров стабилизатора напряжения на термисторе, а также границ стабилизации
изложен в $ 28.
Работа 14 (вариант 2)
1. Схема стабилизатора напряжения иа полупроводниковом диоде приведена
на рисунке 122.
4,3. Способ расчета сопротивления гасящего резистора и границ стабили-
зации изложен в $ 30.
Работа 13 (вариант 1)
3. Коэффициент усиления по напряжению находится по формуле
4. Сумма напряжений на нагрузочном резисторе и на промежутке эмиттер —
коллектор триода является постоянной, равной напряжению источника питания
в коллекторной цепи:
Ук-э4-УРн=У.
Отсюда следует, что Д(7К_Э= —
Работа 15 (вариант 2)
Установка для выполнения работы составляется по схеме, приведенной
на рисунке 280.
Работа 16
1. Стрелочные индикаторы с большим внутренним сопротивлением
включаются параллельно нагрузочному сопротивлению, а индикаторы с малым
внутренним сопротивлением — последовательно в коллекторную цепь.
Работа 17
Ответ на вопрос: нагрузки надо включать в коллекторную цепь второго
триода.
Работа 18
2. Схема управляемого вручную источника электрических импульсов при-
ведена на рисунке 151.
4. В случае включения на выходе неоновой лампы напряжение в импульсе
должно быть больше напряжения зажигания этой лампы.
5. а) Сигнала нет; б) сигнала нет.
228
Вход 1 Вход 2 Выход
0 0 0
0 1 0
1 1 0 1 0 1
Работа 19
3. а) Сигнала нет; б) сигнал есть.
4. Сигнал есть.
Вход 1 Вход 2 Выход
0 0 0
0 1 1 1 0 1 1 1 1
Работа 20
5. Схема логического элемента НЕ, основой которого служит электро-
магнитное реле, приведена на рисунке 281. Используются нормально замкнутые
контакты.
При наличии сигнала в цепи управления реле не будет сигнала в испол:
иительной цепи, и наоборот.
Работа 21
3. Схема источника импульсов приведена на рисунке 151.
Слагаемые числа Наличие импуль- сов на входах Наличие импульсов на выходах Значение суммы в двоичной си- стеме счисле- ния
А В Вход 1 Вход 2 Сумма Перенос
0 0 0 0 0 0 00
0 1 0 1 1 0 01
1 0 1 0 1 0 01
1 1 1 1 0 1 10
Работа 22
2. Схема включения сигнальной лампы приведена в $ 46 на рисунке 186.
В этом же параграфе рассмотрен способ расчета сопротивления балластного
резистора.
Работа 23
3. Расчет сопротивления балластного резистора н границ стабилизации
производить по описанию, содержащемуся в $ 46.
Работа 24
3. Время выдержки определяется из условия равенства напряжения (/,.
на конденсаторе напряжению Пг горения неоновой лампы:
ис=иг
229
Так как _ 1
1/с = 1/Б()-е R,: )
(где иБ—напряжение источника), то иБ (1— е RC) = Ur.
Отсюда получаем для времени выдержки формулу:
/ = 2,ЗС1н--------
Уь - и,
Работа 26
3. Сначала включают лампу большой мощности (например, 100 Вт) и
регулировкой взаимного давления контактов добиваются, чтобы лампа выклю-
чалась прн заданной температуре. Затем, постепенно уменьшая мощность ламп
(путем их смены), добиваются приблизительного равенства времени замкну-
тости н времени разомкиутости.
Ответы на вопросы
1. Термостат указанного вида может в зимнее время применяться для хра-
нения овощей и фруктов в неотапливаемых помещениях. Температура в термо-
стате поддерживается около +5°С.
2. От построенного в данной работе термостата холодильник отличается
тем, что он предназначается для работы при повышенной температуре окру-
жающей среды. В связи с этим тепловое реле управляет не нагревателем, а хо-
лодильным агрегатом (включает его нли выключает).
Работа 27
2,3. Сначала при полностью выведенном реостате подбирают трубку сифона
такого диаметра, чтобы двигатель привода насоса выключался (начинают с
трубок большего диаметра и затем их заменяют трубками все меньшего диа-
метра). После того как трубка подобрана, уменьшают подачу насоса постепен-
ным введением реостата до тех пор, пока время замкнутости и время разомкну-
тостн контактов (время подъема и опускания уровня жидкости в баке) ие станут
приблизительно одинаковыми.
Ответы на вопросы
1. Коэффициент замкнутости контактов увеличивается.
3. Не Зависят. Границы измерения уровня жидкости определяются лишь регу-
лировкой датчика.
Работа 28
3. Схема включения циклического автомата, собранного на основе исполь-
зования пульс-парной схемы и шагового распределителя, приведена на рисунке 282.
5. При выполнении этого задания удобно в качестве гасящих резисторов
использовать лабораторные реостаты.
Ответы на вопросы
1. Воспользуйтесь схемными (электрическими) способами изменения времени
трогания реле при срабатывании и отпускании (см. рис. 62 в $ 15).
Рнс. 282. К выполнению практической работы 28 (п. 3)
230
Рис. 283. К выполнению практической работы 29 (вариант 1)
2. Воспользуйтесь рекомендациями, содержащимися в п. 2 описания настоя-
щей работы.
3. Различного рода иллюминированные учебные пособия с переключением
ламп по определенной программе.
Работа 29 (вариант 1)
3. Схема включения резервного источника электропитания приведена на
рисунке 283,а, схема же испытания такого устройства приведена на рисунке 283,6.
На этих схемах О/— осиовйой источник, G2— резервный источник.
Напряжение U\ иа зажимах основного источника больше напряжения Ui
на зажимах резервного источника. С помощью потенциометра имитируют сни-
жение напряжения источника и наблюдают включение резервного источника
(о работе основного источника судят по отклонению стрелки амперметра At,
а о работе резервного источника — по отклонению стрелки амперметра А2).
Работа 29 (вариант 2)
На рисунке 284 приведена возможная схема автоматического включения
резервного источника тока при снижении ЭДС основного источника нли полном
прекращении его действия.
На этой схеме G/— основной источник, G2— резервный источник. Проана-
лизируйте по ней принцип действия моделируемого устройства. Выясните на-
значение резисторов RI и R2 и, исходя их технических данных электромагнит-
ного реле К, определите максимально допустимые значения сопротивления
R1 и R2. ,
После выполнения соединений в соответствии с приведенной схемой про-
ведите испытания устройства. Для этого введите в устройство потенциометр
таким образом, чтобы с источника G1 напряжение подавалось на потенциометр,
а снимаемая с потенциометра часть этого напряжения подавалась к точкам,
отмеченным иа схеме буквами а и б.
Перемещая движок потенциометра и изменяя значение снимаемого с него
Рис. 284. К выполнению практической
работы 29 (вариант 2)
Рис. 285. К выполнению лpiiKTiciri i<i>fl
работы 29 (к ответу па нппрос .’)
'.’.II
Рис. 286. К выполнению практической
работы 31
напряжения, имитируют уменьшение
ЭДС основного источника и полное пре-
кращение его действия. При этом на-
блюдают срабатывание устройства: от-
ключение основного источника и под-
ключение резервного. Затем, имитируя с
помощью потенциометра восстановле-
ние нормального значения ЭДС основ-
ного источника, наблюдают автомати-
ческое обратное переключение.
Ответы на вопросы
1. Напряжение срабатывания иср
электромагнитного реле должно быть
меньше напряжения источника тока G1,
но больше напряжения источника то-
ка G2 (см. рнс. 283).
и2<иср<и1.
Кроме того, необходимо, чтобы прн
отпускании реле сначала размыкались
контакты S1 и лишь после этого замы-
кались контакты SI'. При срабатывании
реле должны сначала размыкаться контакты S1', а после этого замыкаться
контакты S1.
2. Необходимое напряжение.,срабатывания реле достигается включением
последовательно с катушкой реле, рассчитанного на малое напряжение сра-
батывания добавочного резистора определенного сопротивления. Для опреде-
ления необходимого сопротивления добавочного резистора собирают установку
по схеме, приведенной на рисунке 285. Сначала с помощью потенциометра
устанавливают по вольтметру V необходимое значение напряжения срабаты-
вания реле, а затем, постепенно уменьшая сопротивление /?,, переменного ре-
зистора, добиваются срабатывания реле (лампа зажигается). Далее, отключив
переменный резистор, измеряют с помощью омметра сопротивление его рабочей
части прн данном положении движка.
Работа 30
2, а. После нажатйя кнопки S срабатывает реле К1. Его контакты SJ за-
мыкаются и включают нагрузку, контакты S1' замыкаются н блокируют нормаль-
но разомкнутые контакты кнопки S, а контакты S1" в цепи реле времени размы-
каются.
2,6. После кратковременного исчезновения напряжения реле К1 отпускает.
Прн этом контакты S/ приходят в разомкнутое состояние и нагрузка отклю-
чается, контакты S1' размыкаются, а контакты S1" замыкаются, включая цепь
обмотки реле времени.
2, в. При повторном появлении напряжения в сети реле времени срабаты-
вает, его контакты S2 замыкаются и происходит включение тока в цепи катушки
реле К1- Это реле срабатывает. Его контакты S1 включают нагрузку; контакты
S1' блокируют контакты S2, а контакты S1" размыкают цепь реле времени,
которое приходит в отпущенное состояние спустя определенный промежуток
времени (задержка при отпускании). Система приходит в исходное рабочее со-
стояние. Исчезновение напряжения в сети имитируют размыканием ключа S'
(рнс. 207), а вторичное появление напряжения — замыканием этого ключа.
При разомкнутом ключе S" наблюдают работу реле К/. Убеждаются в том,
что для повторного включения нагрузки необходимо нажать кнопку S. При
замкнутом ключе S" повторное включение нагрузки происходит автоматически.
Работа 31
4. Для остановки -слежки через какое-то время после включения
заднего хода в схему вводят дополнительно реле времени (рнс. 286), нормально
замкнутая пара которого включается последовательно в цепь питания двига-
теля. Реле времени К2В включается одновременно с реле KI, но срабатывает
оно с определенной выдержкой времени. Прн этом его контакты S2 размыкаются,
двигатель выключается и тележка останавливается.
232
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Список оборудования для проведения
практических работ
В список включены различные приборы и приспособления, позволяющие
собирать и изучать элементы автоматики и некоторые автоматические устройст-
ва. Большинство приборов, приведенных в списке, выпускаются для школ про-
мышленностью и могут быть приобретены в магазинах учебного оборудования.
Названия приборов, которые в списке отмечены звезточкой, входят в типовой
перечень учебно-наглядных пособий н учебного оборудования для общеобра-
зовательных школ.
К каждому названию, приведенному в списке, в скобках указывается лите-
ратура нз приложения 4, в котором имеются описания опытов с соответствую-
щим прибором.
В перечне оборудования к той или нной практической работе рядом с наимено-
ванием некоторых приборов указывается в квадратных скобках номер этого
наименования в данном приложении.
/. Радиореле поляризованное (учебное) РПУ*
Прибор предназначен для демонстрации управления на расстоянии электри-
ческими цепями с помощью сигналов, передаваемых по радио.
Примечание: основная часть прибора — поляризованное реле РП-5 илн
РП-7— широко используется в различных опытах по автоматике.
(12, с. 270—271; 7, с. 139—140; 8, с. 280—283.)
2. Фотореле демонстрационное (на фотосопротивлении)
Прибор предназначен для демонстрации устройства и принципа действия
фотореле.
Примечание: если гнезда фотосопротивления замкнуть накоротко, то при-
бор можно использовать как электромагнитное реле, срабатывающее при постоян-
ном напряжении 25 В или при переменном напряжении 30 В.
(12, с. 302—303; 7, с. 33—37; 6, с. 100; 46; 56; 88.)
3. Комплект приборов для демонстрации программного управления (учеб-
ный) ПУ*
Комплект предназначен для демонстрации следующих опытов по автоматике
на уроках физики в средней школе: действие шагового реле; действие програм-
много устройства; автоматическое управление моделью самодвижущейся тележки.
(12, с. 272—273.)
4. Термометр на терморезисторе ТИТ—М (учебный))*.
Прибор предназначен для измерения температуры и состоит из датчика,
измерительного моста и дополнительной шкалы к демонстрационному гальпа-
но метру.
(12, с. 87- 88 ; 8, с. 272—274.)
5. Реле электронное универсальное (РЭУ)
Прибор предназначен для демонстрации устройства и действия одноламно
вого усилителя низкой частоты, электронного реле времени, фотореле с вакуум
ним фотоэлементом, реле с программным управлением, усилителя для восаро
изведеиия звука с кинопленки.
Примечание: отдельные узлы комплекта используются в опытах по автоматике
(12, с. 273—275; 7, с. 243—245, 249—251.)
6. Модель звукового генератора демонстрационная (учебная) ГЗД*
Установка предназначена для проведения опытов: наблюдение за действием
генератора; преобразование сигналов изменения температуры и освещенности
в электрические колебания; выяснение сущности радиотелеметрии; изучение
усилителя постоянного тока.
(12. с. 198—199.)
7. Набор полупроводниковый НПП-2*
Набор предназначен для наблюдения зависимости электропроводности полу-
проводниковых материалов от температуры, освещения, механических деформа-
ций, структуры, примесей; изучения основных свойств электронно-дырочного
перехода (односторонняя электропроводность, особенности вольт-амперной
характеристики и ее нелинейность, влияние внешних факторов иа электри-
ческие характеристики р—п-перехода), непосредственного преобразования лучис-
той энергии в электрическую.
8. Прибор для демонстрации сортировки деталей по прозрачности (учеб-
ный) ФС
Прибор предназначен для демонстрации сортировки деталей по прозрач-
ности с помощью фотоэлектрического устройства.
(12, с. 303—305.)
9. Радионабор на полупроводниках РНП-А, Р+1П-Б (учебный)*
Набор позволяет производить сборку радиоприемников по различным
схемам и генератора звуковой частоты.
10. Радиоконструктор на полупроводниках РКП-А, РКП-Б (учебный)*
Радиоконструктор предназначен для проведения различных опытов по
радиоэлектронике. Из его деталей собираются радиоприемники по различным
схемам и мультивибраторы.
(12, с. 397—399.)
11. Набор радиодеталей HP (учебный)*
Набор предназначен для проведения практикума по радиотехнике в сред-
ней школе.
12. Электроконструктор для 1V—V111 классов ЭК-4-8 (учебный)
Электроконструктор предназначен для проведения лабораторно-практи-
ческих работ по сборке электрических цепей и лабораторных работ по простейшему
исследованию электромагнита и электродвигателя.
13. Пластинка биметаллическая (учебная)*
Прибор служит для демонстрации различия теплового расширения двух
металлов, а также применения этого физического явления в автоматике.
(12, с. 169—170; 8, с. 183—184.)
14; Набор полупроводниковых приборов (учебный) НДП*.
Отдельные узлы набора и некоторые приборы из учебного оборудования
физического кабинета позволяют провести опыты по изучению зависимости сопро-
тивления полупроводников от температуры, действия термореле, принципа дей-
ствия анемометра, зависимости сопротивления полупроводников от освещенности,
действия термоэлемента, охлаждения электронно-дырочного перехода электри-
ческим током, усилительного действия транзистора, действия генератора электри-
ческих колебаний звуковой частоты.
(12, с. 257—258; 8, с. 206-272, 274—280, 283—300.)
15. Конструктор электромеханический ЭМК (учебный)
Из деталей конструктора собираются выключатель и переключатель, электро-
магнит, электрозвонок, модель магнитного пускателя, электродвигатель, редуктор,
электромеханический переключатель, модель шлагбаума с дистанционным управ-
лением, модель электролебедки, модель светофора, соленоидный двигатель, мо-
дель маяка, модель электромолота, электрокачели (злекромаятник), модель
телеграфного аппарата, модель вибратора, электрокара с дистанционным управ-
лением, модель сваезабнвателя, автомат для продажи карандашей.
16. Диод полупроводниковый на колодке с зажимами*
Применяют его в практикуме при выполнении лабораторной работы <Сня-
тие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода».
(12, с. 297.)
17. Катушка проволочная с сердечником. Детали для сборки электро-
магнита*
234
Комплект применяется в практических работах по электромагнетизму и
электромагнитной индукции. Из деталей можно собрать электромагнит, электро-
магнитное реле и вибратор.
(12, с. 338— 340.) .
18. Генератор импульсов
Прибор служит для получения периодически повторяющихся электри-
ческих импульсов, может использоваться в различных опытах. Имеющееся в
составе прибора поляризованное реле можно использовать отдельно прн про-
ведении различных опытов по автоматике.
(12, с. 271—272.)
19. Электродвигатель универсальный с принадлежностями*
Комплект используется в различных опытах, а поплавковый датчик вместе
с центробежным водяным насосом, электродвигателем, сосудами для воды и
резиновыми трубками используется при сборке и испытании автоматического
регулятора заданного уровня жидкости.
(12, с. 24—25; 8, с. 52—53, 54—55, 68—71, 92—97.)
Примечание: учащимся выдают только принадлежности.
20. Термистор на колодке с зажимами*
Применяется в практикуме для выполнения лабораторной работы <Снятне
температурной характеристики термистора».
(12, с. 396—397.)
21. Конструктор «Свет и автоматика»
Из его деталей можно собрать различные схемы фотореле, триггер и ждущий
мультивибратор.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Литература для учителей
I. Справочник по средствам автоматики.— М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Зельдин Е. А. Триггеры.— М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Хорошавнн С. А. Физико-техническое моделирование.—М.: Просвеще-
ние, 1983.
4. Любимов К. В., Новиков С. М. Знакомимся с электрическими цепя-
ми.— М.: Наука, 1981.
5. Ннзамов И. М. Задачи по физике с техническим содержанием.— М.:
Просвещение, 1980.
6. Физический эксперимент в школе.— М.: Просвещение, 1981.
7. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе / Под ред.
А. А. Покровского.— М.: Просвещение, 1979.— Ч. 2 (Опыты: 12, 58, 115,
117, 118).
8. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе / Под ред.
А. А. Покровского.— М.: Просвещение, 1978,— Ч. I (Опыты: 107, 154,
155, 156, 157, 158, 159, 162, 163, 165).
9. Залман зон Л. А. Беседы об автоматике и кибернетике.— М.: Наука, 1985.
10. Г а л а г у зо в а М. А., К о м с к и й Д. М. Первые шаги в электротехнику.—
М.: Просвещение, 1984.
11. Ламов Б. Ф. Человек и автоматы.— М.: Педагогика, 1984.
12. Учебное оборудование по физике в средней школе / Под ред. А. А. Покров-
ского.— М.: Просвещение, 1973.
13. 1(омскийД. М., Игошев Б. М. Электронные автоматы и игры.—
М.: Энергоиздат, 1981.
14. Фомин Б. Автоматы служат человеку.— М.: Просвещение, 1980.
15. М я с и н ко в В. А. и др. ЭВМ для всех.— М.: Знание, 1980.
16. Отращен ко в Ю. М. Юный кибернетик.— М.: Детская литература, 1978.
17. Глушков В. М., Валах В. Я. Что такое ОГАС? — М.: Наука, 1981.
18. Энциклопедический словарь юного техника,— М.: Педагогика, 1980.
Оглавление
Предисловие ........................................................ 3
Введение ........................................................... 4
Глава 1. Общие сведения об автоматических устройствах............... 7
§ 1. Виды автоматических устройств.................................. —
§ 2. Автоматические регуляторы...................................... 9
§ 3. Примеры автоматических регуляторов............................ 12
$ 4. Типы регуляторов. Виды регулирования......................... 16
§ 5. Понятие об устройстве циклических автоматов. Рефлекторные автоматы 17
§ 6. Общие сведения об устройстве роботов.......................... 19
Глава 2. Применение простых закономерностей механического движения,
тепловых явлений и электрических цепей в элементах автоматики...... 21
$ 7- Основное уравнение равномерного движения как основа электромехани-
ческих программных устройств........................................ —
$ 8. Использование в элементах автоматических устройств изменения сопро-
тивления электрической цепи под влиянием внешних механических воздей-
ствий ............................................................. 22
$ 9. Тепловое расширение тел и его использование в датчиках температуры 27
Задачи ........................................................... 28
Практические работы......................................... 34
Глава 3. Использование свойств электрического конденсатора в элементах
автоматических устройств........................................... 36
§ 10. .Емкостные преобразователи перемещения........................ —
$ 11. Емкостные задатчики промежутков времени...................... 39
Задачи............................................................. 43
Практическая работа................................................ 44
Глава 4. Магнитное действие электрического тока и магнитные свойства
вещества в элементах автоматики.................................... 45
§ 12. Электромагниты................................................ —
$ 13. Общие сведения о реле и их назначении........................ 47
$ 14. Электромагнитные реле........................................ 50
$ 15. Условия срабатывания и отпускания электромагнитных реле..... 52
$ 16. Разрывная мощность контактов реле............................ 54
$ 17. Нейтральные и поляризованные электромагнитные реле........... 55
$ 18. Магнитоуправляемые герметизированные контакты................ 58
§ 19. Электромагнитные реле-распределители ........................ 61
§ 20. Магнитоэлектрические и электродинамические реле.............. 63
§ 21. Пульс-парная схема........................................... 65
$ 22. Схемы блокировки. Концевые выключатели....................... 67
$ 23. Электромагнитные исполнительные органы....................... 70
§ 24. Электромашиниые исполнительные органы....................... 74
Задачи ............................................................ 77
237
Практические работы............................................... 82
Глава 5. Особенности электропроводности металлов и полупроводников и
их использование в элементах автоматических устройств............. 85
$ 25. Нагревание металлических проводников электрическим током. Электро-
термические реле .................................................. —
$ 26. Зависимость сопротивления металлических проводников от температу-
ры. Проволочные резисторные датчики температуры................... 89
$ 27. Основные свойства полупроводниковых веществ. Термисторы.... 91
$ 28. Применение термисторов для стабилизации напряжения.......... 93
$ 29. Использование термистора в качестве бесконтактного реле..... 98
$ 30. Полупроводниковые диоды. Их применение в ключевом режиме и для
стабилизации напряжения ......................................... 101
$ 31. Полупроводниковые триоды и их использование для усиления сигнала . 106
$ 32. Различные схемы усилителей на транзисторах. Транзисторные ключи . . НО
§ 33. Полевые транзисторы........................................ 115
$ 34. Триггер на полупроводниковых триодах....................... 121
$ 35. Управление триггером как бесконтактным электронным реле.... 124
Задачи .......................................................... 126
Практические работы.’.'.......................................... 129
Глава 6. Начальные сведения о физических основах электронной вычисли-
тельной техники.................................................. 135
$ 36. Общие сведения о процессорах и электронных вычислительных машинах —
$ 37. Понятие о двоичной системе счисления и ее использовании в электрон-
ных вычислительных машинах....................................... 139
$ 38. Триггер как элемент электронной вычислительной машины...... 140
§ 39. Элемент памяти ЭВМ на триггерах............................ 143
$ 40. Одноразрядный сумматор на триггерах........................ 147
$ 41. Многоразрядный сумматор иа триггерах....................... 152
§ 42. Электронные логические элементы............................ 156
$ 43. Одноразрядный сумматор иа логических элементах............. 160
Задачи............................................................ 162
Практические работы ...................................... —
Глава 7. Особенности электропроводности электролитов и газов н свойства
электронный пучков в элементах автоматических устройств . -...... 166
$ 44. Основы использования в элементах автоматических устройств особен-
ностей электропроводности растворов электролитов. Электролитические диоды —
$ 45. Электролитический датчик механического воздействия......... 170
$ 46. Тлеющий электрический разряд в газах. Двухэлектродные лампы тлею-
щего разряда в элементах автоматических устройств................ 173
$ 47. Некоторые схемы использования двухэлектродных ламп тлеющего раз-
ряда в функциональных узлах автоматических устройств и ЭВМ....... 179
$ 48. Тиратроны тлеющего разряда в элементах автоматических устройств
и ЭВМ........................................................... 181
$ 49. Свойства электронных пучков. Электронно-лучевой распределитель . . 185
238
Задачи ..................................................... IH9
Практические работы.......................................... 190
Практикум по моделированию автоматических устройств..........
Приложение 1. Ответы и возможные решения к задачам.......... 201
Приложение 2. Решения и ответы к практическим работам....... 224
Приложение 3. Список оборудования для проведения практических работ . . 233
Приложение 4. Литература ................................... 236
Учебное издание
Резников Зиновий Матвеевич
ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА
Зав. редакцией В. А. Обменина
Редактор О. В. Серышева
Младшие редакторы О. В. Агапова, М. В. Зарвирова
Художники В. С. Давыдов, С. Ф. Лухин
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технические редакторы Т. Г. Иванова, Г. В. Субочева
Корректоры И. А. Корогодина, С. Ю. Яковлева
ИБ № 10580
Сдано в набор 14.12.88. Под вне ано к печати 16.08.89. Формат 60X90‘/it- Бум. офсетная № 2. Гарнитура
литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 15+вкл. 0,25+форз. 0,25. Усл. кр.-отт. 17,31. Уч.*нзд. л.
15,84 + акл. 0,28+форз. 0,42. Тираж 271 700 экз. Заказ № 1990. Ценв 70 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Государственного комитета
РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 129846. Москва, 3-й проезд
Марьиной рощи, 41.
Смоленский полнграфкомбинат Госкомиздата РСФСР. 214020. Смоленск, ул. Смольянинова, I.
Универсальная ЭВМ серии ЕС
1'135
Персональный компьютер