Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п. Примеры: электролитическое и карбонильное железо, электротехническая сталь, пермаллои (железоникелевые сплавы), альсиферы и ферриты.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой H_c. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых H_c < 800 А/м, а магнитотвердыми – с H_c > 4 кА/м. У лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а в лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

21. Переменные резисторы, их конструктивные особенности, схемы включения.

В переменных резисторах имеется специальное устройство (контактный ползун, укрепляемый на поворотной, линейной или червячной оси), которым можно изменять сопротивление резистора.

В зависимости от характера изменения сопротивления при протекании электрического тока и внешних воздействующих факторов резисторы делятся на линейные и нелинейные. Под словом "резисторы" традиционно подразумевают резисторы с линейной вольт-амперной характеристикой. К нелинейным резисторам относят: терморезисторы, фоторезисторы, варисторы, магниторезисторы.

Переменные резисторы подразделяются на регулировочные и подстроечные. Регулировочные предназначены для многократных регулировок при эксплуатации аппаратуры. Они обладают высокой износоустойчивостью и расчитаны не менее, чем на 5000 циклов перемещения подвижной системы. Подстроечные резисторы рассчитаны на разовые или периодические изменения сопротивления в процессе настройки или подстройки аппаратуры. Их износоустойчивость невелика - до 1000 циклов перемещения подвижной системы. Подвижная ось у них обычно выводится под шлиц.

В подстроечных резисторах, применяемых в гибридных интегральных схемах, подстройку осуществляют уменьшением ширины резистивного слоя механическим способом или лазерным лучем.

Переменные резисторы имеют большое конструктивное разнообразие. Они состоят из корпуса, проводящего (резистивного) элемента и подвижной системы с контактом. Концы резистивного элемента и подвижный контакт имеют выводы. По конструктивному исполнению выводов различают переменные резисторы для навесного и нечетного монтажа.

Переменные резисторы по конструкции могут быть выполнены:

одноэлементными и многоэлементными (сдвоенные, строенные, счетверенные);

с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта;

однооборотными и многооборотными;

с выключателем и без выключателя;

с упором и без упора;

с фиксацией и без фиксации положения подвижной части;

с дополнительными и без дополнительных отводов.

В зависимости от материала резистивного элемента переменные резисторы разделяют на проволочные и непроволочные.

Большинство переменных резисторов общего назначения относятся к непроволочным композиционным резисторам. Токопроводящий (резистивный) элемент в переменных непроволочных резисторах круглой формы представляет собой подковообразную пластину с композиционным тонким слоем на поверхности. По открытой поверхности резистивного слоя перемещается подвижный контакт.

Токопроводящий элемент проволочного переменного резистора круглой формы выполняется в виде обмотки из изолированного высокоомного провода на гетинаксовой или металлической (оксидированной) пластине дугообразной формы. Для контакта ползуна с обмоткой провод по траектории движения ползуна зачищают от изоляции.

Требования к материалу токопроводящего (резистивного) элемента:

1) материал должен иметь высокое удельное сопротивление, или оно должно изменяться в широком диапазоне, чтобы обеспечить выпуск переменных резисторов в широком диапазоне номинальных сопротивлений;

2) материал не должен покрываться оксидной пленкой, чтобы сохранялся надежный электрический контакт с ползуном;

3) высокая прочность на истирание, поскольку по нему скользит подвижный контакт;

4) высокая теплопроводность основания (каркаса) для повышения перегрузочной способности переменного резистора;

5) одинаковый температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) резистивного материала и материала основания (каркаса).

2. Параметры и характеристики переменных резисторов.

Переменные резисторы имеют некоторые параметры, аналогичные постоянным резисторам. Например, номинальная мощность, номинальное сопротивление, допуск на отклонение номинального сопротивления, температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Однако, имеются параметры и характеристики, являющиеся специфическими для переменных резисторов. К ним относятся:

функциональная характеристика;

полное, минимальное и установленное сопротивление;

разрешающая способность;

шумы скольжения (вращения);

износоустойчивость.

2.1. Функциональная характеристика.

Эта характеристика является наиболее важной для переменных резисторов. Функциональная характеристика определяет зависимость сопротивления переменного резистора или напряжения от положения подвижного контакта. По характеру функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные - типа А и нелинейные - типов Б, В, Е, И. (рис.2). Большинство переменных резисторов выпускают с линейной характеристикой типа А. Характер нелинейной зависимости определяется схемными задачами, для решения которых предназначен резистор. Наиболее распространенные зависимости логарифмические (Б) и обратнологарифмические (В).

R/Rн, %

20 40 60 80

Рис.2. Функциональные характеристики переменных резисторов.

Резисторы с такими зависимостями применяются для регулировки громкости и тембра звука, яркости свечения индикаторов и т.п. Встречаются резисторы с синусными, косинусными зависимостями, используемые в устройствах измерения и автоматики.

Отклонения от заданной кривой определяются допусками. Для переменных резисторов общего назначения эти границы устанавливаются в пределах 2...20%, а для прецизионных - 0,05...1%.

Для измерения (снятия) функциональных характеристик применяют методы проверки по сопротивлению и напряжению, которые, в свою очередь, делятся на методы непрерывного измерения и методы измерения в отдельных точках.

Метод проверки по сопротивлению в отдельных точках состоит в том, что измеряется с помощью омметра сопротивление между одним из выводов резистивного элемента и выводом подвижного контакта при различных его положениях и сравнивается с расчетным значением.

Метод проверки по напряжению в отдельных точках заключается в сравнении напряжений на выходе испытуемого резистора, включенного по потенциометрической схеме (рис.4) при различных положениях его подвижного контакта с расчетными значениями.

Метод непрерывного измерения отличается тем, что напряжение на выходе испытуемого резистора сравнивается с аналогичным напряжением на образцовом резисторе при синхронном перемещении их подвижных контактов. Как правило, такое сравнение проводится с помощью электронного осциллографа при подаче на вход вертикальной развертки сигнала с испытуемого резистора, а на вход горизонтальной развертки сигнала с образцового резистора.

Полное сопротивление переменного резистора - это сопротивление между крайними выводами резистивного элемента. Полное сопротивление должно равняться номинальному, т.е. указанному на корпусе или в документации, в пределах допуска. Ряды номинальных значений переменных и постоянных резисторов одинаковы.

Установленное сопротивление - сопротивление между одним из крайних выводов резистивного элемента и выводом подвижного контакта.

Минимальное сопротивление - сопротивление между выводом подвижного контакта и любым выводом резистивного элемента при таком положении вала, когда получается наименьшее значение сопротивления.

2.2. Разрешающая способность.

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем изменении угла поворота или перемещении подвижной системы может быть различимо изменение сопротивления резистора.

Разрешающая способность переменных проволочных резисторов зависит от числа витков проводящего элемента и определяется как изменение сопротивления (или напряжения) при перемещении подвижного контакта на один виток. Количественно разрешающую способность выражают отношением скачка сопротивления или напряжения при перемещении подвижного контакта к общему сопротивлению или к общему напряжению и выражают в процентах от полного сопротивления или проводимого напряжения.

Иногда разрешающую способность выражают в угловых величинах. Угловая разрешающая способность - это тот угол, на который должен переместиться подвижный контакт, чтобы перейти с витка на виток.

Угловая разрешающая способность при равномерном шаге намотки равна:

(1)

где - угол поворота подвижной системы в пределах угла намотки резистивного элемента;

- число витков;

При перемещении подвижного контакта с витка на виток наименьшее приращение выходного напряжения:

(2)

где - рабочее или входное напряжение, подводимое к резистору.

Тогда, так называемая электрическая разрешающая способность, выраженная в процентах, будет равна:

(3)

Отсюда видно, что разрешающая способность обратно пропорциональна числу витков обмотки. Чем больше витков содержит резистивный элемент, тем выше разрешающая способность, меньше скачки напряжения и выше точность воспроизведения функциональной характеристики.

Разрешающая способность переменных проволочных резисторов общего назначения находится в пределах от 0,1 до3%, а прецизионных - до тысячных долей процента.

У непроволочных резисторов разрешающая способность очень высокая и лимитируется дефектами резистивного элемента и контактной щетки, а также значением переходного сопротивления между проводящим слоем и подвижным контактом.

Кроме того, разрешающая способность переменных резисторов зависит от схемы их включения, от степени нагруженности, от чувствительности выходного измерительного устройства.

2.3. Шумы скольжения (вращения).

При работе переменного резистора в динамическом режиме, когда подвижный контакт перемещается по контактной дорожке резистивного элемента, появляются нежелательные флюктуации выходного напряжения (шумы скольжения), вызываемые либо изменением переходного сопротивления между подвижным контактом и резистивным элементом, либо мгновенным прерыванием контакта из-за "подскакивания" подвижного контакта, когда он перескакивает с одного витка на другой. Иными словами, шумы скольжения определяют качество контактирования.

Шумы могут создавать также тепловые факторы - нагрев подвижного контакта и резистивного элемента. возникновение термо-ЭДС из-за разнородности металлов контактной пары.

Уровень шумов скольжения значительно превышает уровень тепловых и токовых шумов в резисторе и достигает 30...40 дБ.

2.4. Износоустойчивость.

Под износоустойчивостью понимают способность резистора сохранять свои параметры (противостоять износу) при многократных перемещениях подвижной системы. Износоустойчивость зависит от многих причин, но в основном определяется материалом и формой подвижного контакта и резистивного элемента и контактным давлением.

Для повышения износоустойчивости и увеличения срока службы необходимо уменьшать контактное давление. Но это ведет к увеличению шумов скольжения. Для устранения этого противоречия выбирают оптимальное контактное давление и наиболее износоустойчивые контактные пары.

Количественно износоустойчивость оценивается максимально допустимым числом поворотов (циклов) подвижной системы, при достижении которого параметры резистора еще остаются в пределах норм.

Для прецизионных резисторов, работающих с низкими контактными давлениями, износоустойчивость достигает поворотов.

Регулировочные резисторы общего назначения имеют повышенное контактное давление и хорошую механическую стойкость, но износоустойчивость сравнительно

низкая - 5000...20000 циклов.

Для подстроечных резисторов, используемых для разовых регулировок, высокая износоустойчивость не требуется. Число циклов перемещения подвижной системы для них не превышает 1000.

3. Схемы включения резисторов.

Для практического использования переменных резисторов в устройствах регулирования и управления применяют различные схемы их включения. К ним относят реостатное, потенциометрическое и дифференциальное включение. Рассмотрим эти схемы подробнее.

3.1. Реостатное включение.

Схема реостатного включения переменного резистора представлена на рис.3.

Такая схема применяется для регулирования тока нагрузки в некотором диапазоне.

АА

L

Iн Rн

Рис.3. Реостатное включение переменного резистора с нагрузкой.

Рассмотрим зависимость тока нагрузки от перемещения подвижного контакта при реостатном включении переменного резистора с линейной функциональной характеристикой (типА).

(4)

где - линейное (угловое) отклонение подвижного контакта от начального положения;

- полное линейное (угловое) отклонение подвижного контакта.

Диапазон регулирования тока в этой схеме составляет от (при ) до (при ). Подбором значения Rn можно изменять диапазон регулирования в некоторых пределах.

Недостатками реостатного включения переменных резисторов являются:

- нелинейная зависимость тока нагрузки от перемещения подвижного контакта;

- невозможно получить нулевое значение тока нагрузки, т.е. Imin>0.

Из-за указанных недостатков реостатное включение применяется редко.

3.2. Потенциометрическое включение.

Схема потенциометрического включения переменных резисторов представлена на рис.4. Такое включение в практических схемах является наиболее распространенным.

Rп

U L R`п Rн Uн

Рис.4. Потенциометрическое включение переменного резистора.

При подобном включении переменного резистора зависимость выходного напряжения Uн от перемещения подвижного контакта повторяет функциональную характеристику переменного резистора, если отсутствует влияние сопротивления нагрузки Rн. Влиянием нагрузки можно пренебречь, если Rн>>Rn.

Поэтому потенциометрическое включение используется для снятия функциональной характеристики переменного резистора.

Выведем зависимость для линейного переменного резистора в режиме холостого хода, считая .

(5)

Если сопротивление нагрузки соизмеримо с полным сопротивлением переменного резистора, или Rн < Rn, то наблюдается влияние Rн на зависимость , которая может существенно отличаться от функциональной характеристики.

Из рис.4. видно, что Rн включается параллельно части переменного резистора от начала до подвижного контакта, которое можно выразить, как . Ток нагрузки, протекая через верхнюю часть переменного резистора, создает там дополнительное падение напряжения. Поэтому функция всегда располагается ниже функциональной характеристики переменного резистора.

Аналитическую зависимость можно представить в следующем виде:

(6)

Наличие в знаменателе члена приводит к нелинейной зависимости выходного напряжения Uн от перемещения подвижного контакта при линейной функциональной характеристике переменного резистора. Если или Rн>>Rn, то (6) переходит в (5).

Достоинством потенциометрического включения переменного резистора является широкий диапазон регулирования Uн, т.е. напряжение на нагрузке можно изменять от 0 до напряжения питания U.

Наибольшее применение потенциометрическая схема находит в качестве управляемого делителя напряжения. В измерительных устройствах для измерения линейного или углового перемещения необходимо стабилизировать напряжение питания, т. к. Uн зависит не только от перемещения подвижного контакта, но и от U.

3.3. Дифференциальное включение.

Очень часто в системах автоматики возникает задача получения выходного напряжения, зависящего не только от значения отклонения подвижного контакта, но и от направления отклонения. Например, такая задача возникает при управлении реверсивным двигателем, когда необходимо управлять не только скоростью, но и направлением движения двигателя. Такая задача решается дифференциальным включением переменного резистора.

Схемы дифференциального включения переменных резисторов показаны на рис. 5.

1 geqReq+BH8ObcXxzlHyLj7161/7Nt+ms3jU8/w8AAP//AwBQSwMEFAAGAAgAAAAhAAx6pdzgAAAA CQEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj0FLw0AQhe+C/2EZwZvdpLHRxmxKKeqpFGwF8TbNTpPQ 7G7IbpP03zue9Dh8j/e+yVeTacVAvW+cVRDPIhBkS6cbWyn4PLw9PIPwAa3G1llScCUPq+L2JsdM u9F+0LAPleAS6zNUUIfQZVL6siaDfuY6ssxOrjcY+OwrqXscudy0ch5FqTTYWF6osaNNTeV5fzEK 3kcc10n8OmzPp831+7DYfW1jUur+blq/gAg0hb8w/OqzOhTsdHQXq71oFSRJknKUwRIE83QRPYI4 KpjHT0uQRS7/f1D8AAAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsA AAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhANPK/+wGBgAAszgAAA4A AAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAAx6pdzgAAAACQEA AA8AAAAAAAAAAAAAAAAAYAgAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAABtCQAAAAA= " o:allowincell="f">

Rп Rн R1 Rн

Rн U Rп Rп1 Rп2

R2

_ _ _

а) б) в)

Рис.5. Схемы дифференциального включения переменных резисторов.

а) с использованием дополнительного отвода от средней точки переменного резистора;

б) с искусственной фиксированной средней точкой;

в) с регулируемой средней точкой.

В схеме рис.5а напряжение на нагрузке будет равняться нулю, если подвижный контакт совпадает с отводом средней точки. Если подвижный контакт переместить вверх от средней точки, то напряжение на нагрузке будет иметь положительную полярность и ток нагрузки будет протекать сверху вниз. Если подвижный контакт переместить ниже отвода средней точки, то полярность выходного напряжения и направление тока нагрузки изменятся на противоположное.

Если у переменного резистора отсутствует отвод средней точки, то ее можно создать искусственно, включив резисторы R1 = R2, как показано на рис.5б. Искусственную среднюю точку можно создать и с помощью дополнительного переменного резистора, как это показано на рис.5в. Достоинством последней схемы является возможность перемещения нулевой точки на любой участок характеристики.