Міністерство освіти інауки України
Харківський державнийтехнічний університет радіоелектроніки
Кафедра ПЕЕА
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
по предмету: Елементнабаза ЕА
на тему: Проектуваннянизькоомного опору
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
Резистор змінного опору типу А
Вихідні дані для проектування:
- номінальний опір R = 470 Ом;
- номінальна потужність P = 1 Вт;
- розділювальна здатність d = 1%;
- температурний коефіцієнт опору ТКО = ±5×10-6 1/град;
- температурна е.р.с. Терс = -2 мкВ/град;
- контактний тиск P = 20 г/мм2;
- ресурс роботи 105 обертів;
- кут повороту j = 300°;
- умови експлуатації:
кліматичні — УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69,
механічні — IV ст.ж. ГОСТ 16962-72;
- випуск n = 1010 шт/рік.
ЗМІСТ
Вступ
1. Аналіз ТЗ
2. Огляд аналогічних конструкцій і вибір напрямку проектування
3.1 Електричний та конструктивний розрахунокю Розрахунок резистивного елемента
3.2Розрахунок контактної пружини
3.3Теплотехнічний розрахунок
3.4Розрахунок частотних характеристик
4.Ескізне опрацювання елемента і обгрунтування прийнятих рішень
5. Уточнення і опис конструкції
Висновки
Перелікпосилань
ВСТУП
Розвиток радіоелектроніки, розширенняобластей застосування електронної апаратури поставили питання про необхідністьрізко підвищити технічні та експлуатаційні характеристикиелектро-радіоелементів, зокрема проволочних резисторів. Це обумовлено тим, що врізноманітних схемах радіоапаратури вони займають досить значну частину відзагальної кількості елементів принципової схеми.
Резистори загального призначеннявикористовуються в якості поглиначів і дільників напруги в колах живлення,елементів фільтрів та підсилювачів, шунтів, регуляторів гучності та тембру, вколах формування імпульсів, у вимірювальних приладах і т.п.
Особливе місце серед усіх типів резисторівзаймають проволочні змінні резистори, які знаходять широке застосування велектронній апаратурі, різноманітних схемах автоматичного керування ірегулювання, в електрообладнанні транспорту і вимірювальній техніці.
При усій простоті конструкції і технологіївиготовлення вони мають ряд недоліків: досить велика вартість; значна власнаіндуктивність та ємність; великі габарити в зв’язку з технологічними труднощамивиготовлення тонких проводів з різних металів та сплавів.
Тим не менше змінні проволочні резисторинезамінні в лабораторних дослідженях і в деяких видах апаратури, так як у нихпоряд з вищеописаними недоліками є ряд переваг:
- мінімальний температурний коефіцієнт опору (ТКС) іпочатковий стрибок опору;
- висока розділювальна здатність;
- легкість конструювання під задану функціональнузалежність опору від кута повороту.
Остання їх перевага дозволяє застосовуватиїх для електричного моделювання фізичних процесів в якості датчиків лінійних такутових переміщень.
За допомогою потенціометрів (проволочнихрезисторів з більшою розділювальною здатністю і точністю) можливо не лишеперетворити механічну величину в електричну, але й реалізувати потрібнийфункціональний зв’язок між цими величинами.
1. АНАЛІЗТЗ
Згідно технічного завдання необхідносконструювати резистор змінного опору з такими характеристиками:
— номінальний опір R = 470 Ом;
— номінальна потужність P = 1 Вт;
— розділювальна здатність d =1%;
— температурний коефіцієнт опору ТКО = ±5×10-6 1/град;
— температурна е.р.с. Терс = -2мкВ/град;
— контактний тиск P = 20 г/мм2;
— ресурс роботи 105 обертів;
— кут повороту j = 300°;
— умови експлуатації:
кліматичні — УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, механічні-- IV ст.ж. ГОСТ 16962-72;
— випуск n = 1010 шт/рік.
Майбутній резистор має бути згідно ГОСТ15150-69 по кліматичному виконанню експлуатованим в макрокліматичному районі зпомірним та холодним кліматом в лабораторних, капітальних житлових і іншихподібних приміщеннях [2. 6].
Механічні умови експлуатації IV ступеню жорсткості по ГОСТ 16962-71 передбачаютьвібраційні навантаження в діапазоні частот 1-80 Гц з максимальним прискоренням5g, ударні навантаження 150g з тривалістю удару 1-3 мс та лінійнінавантаження 100g.
Виходячи з даних, для забезпечення ТКО і Терсвибираємо в якості матеріалу для резистивного елемента серед наявнихрезистивних сплавів по [1.39] манганін – мідно-марганцевий сплав, щоскладається з 83¸86.5% міді, 11¸13.5% марганцю та 2.5¸3.5%нікелю. У манганіна r = = 0.42¸0.48 Ом×мм2/м, ТКО = ±(5¸30)×10-6 1/град, Терс =1 мкВ/град.
Намотку резистивного елемента проводимоманганіновим проводом марки ПМТ – твердий, з ізоляцією в один шар звисокоміцної емалі і діаметром жили від 0.02 до 0.8 мм.
Так як резистор повинен мати ресурс роботи105 обертів, то необхідно забезпечити хороший контакт пружиниструмознімача до резистивного проводу при мінімальному контактному зусиллі інадійну фіксацію встановленого опору.
Для резистивного каркасу раціональновибрати плоский каркас, так як він займатиме менший об’ємніж циліндричний.
Номінальна потужність майбутньогорезистора рівна 1 Вт, що відносить його до класу резисторів середньоїпотужності, отже у нього великий перегрів буде відсутній.
Кут повороту рухомого контакта складає 300°, щоговорить про те, що змінний резистор має бути одноповоротним і матипідковоподібну форму резистивного елемента.
Випуск резисторів є серійним. Для цьогопотрібно забезпечити простоту виготовлення і застосувати недорогі матеріали длянього.
2. ОГЛЯД АНАЛОГІЧНИХ КОНСТРУКЦІЙ ІВИБІР НАПРЯМКУ ПРОЕКТУВАННЯ
Конструкція заданого проволочногорезистора змінного опору в великій мірі залежить від заданих йогохарактеристик. Після аналізу технічного завдання відомо, що резистор має матиплоский резистивний елемент підковоподібної форми з постійним перетином увигляді прямокутника.
Аналогічними конструкціями для заданогорезистора є конструкції проволочних підстроювальних резисторів з коловимпереміщенням рухомого контакта СП5-2, СП5-3, СП5-2Т, СП5-3Т. Ці резистори дляприведення в рух ковзаючого контакту використовують черв’ячнупередачу, що небажано використати в даному резисторі, так як ця конструкціяіз-за своїх мінімальних розмірів може вийти з ладу раніше терміну експлуатації,а також не забезпечує плавної зміни опору із-за створення деякого контактногозусилля і для фіксації встановленого опору потребує контактних пружин.
Більш наближеною конструкцією доконструкції проектованого резистора є резистори типу СП5-16ТБ, у якихпритискування контактної системи до струмознімача здійснюється за рахунокпружини. Контактна пружина має форму консольно закріпленої балки, що дозволяєвибирати значення контактного зусилля в досить широких межах. Але негативноюстороною цих резисторів є їх герметизація, що не дозволяє робити розбираннярезистора.
Загальним елементом цих конструкцій, що непідходять для резистора у нашому випадку, є те, що резистивний елемент єструнним і контактна пружина знаходиться між тримачем і резистивним елементом.Пружина, що притискає контактну систему до струмознімача, знаходиться всерединікорпусу, створює зусилля за рахунок своєї пружності і жорсткості матеріалукорпусу.
Враховуючи усі ці недоліки існуючихрезисторів відносно нашого змінного резистора, вибираємо такі напрямкиконструювання:
- обертання ковзаючого контакту проводиться задопомогою контактної пружини;
- фіксація встановленого опору за допомогою пружини;
- створення контактного зусилля з допомогою пружини ішайб для можливості його регулювання;
- струмознімач виконаємо у вигляді шайби, щопереходить у зовнішній контакт і притискається до контактної системициліндричною пружиною;
- корпус резистора відкритий, тобто кришки немає, такяк умови роботи всередині приміщення.
3.ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТА КОНСТРУКТИВНИЙРОЗРАХУНОК
3.1 Розрахунок резистивного елемента
1 Визначення площі плоского каркасурезистивного елемента проводиться згідно формули [1.73]:
/> , (3.1)
де S – площа каркасу, мм2,
P – електрична потужність розсіювання, Вт;
J– перегрів обмотки, рівний різниці між максимальною допустимоютемпературою на обмотці і номінальною навколишньою температурою, ˚C;
μ – середній коефіцієнт тепловіддачірезисторів, що лежить в межах (5÷20)·10-5 Вт/мм2·град[1.73];
/>.
2 Визначення діаметра проводу згідноформули:
/> , (3.2)
де d – діаметр проводу, мм;
ρ – питомий електричний опір проводу,Ом·мм2/м, для мангані-ну складає 0,46 Ом·мм2/м [1.39];
R – опір обмотки, Ом;
к – коефіцієнт,чисельно рівний відношенню кроку намотки до діаметра проводу. Для резистивнихелементів, що намотуються ізольованим проводом к = 1,05÷1,2 [1.73];
/>.
3 Визначення довжини проводу L, мм:
/> , (3.3)
/>.
4 Визначення кроку намотки проводу tн, мм:
/>, (3.4)
/> .
5 Визначення довжини каркасу:
Площа плоского каркасу визначається заформулою:
/>/>, (3.5)
де l0– довжина активноїчастини каркасу, мм;
a – висота каркасу, мм;
b – ширина каркасу, мм.
Звідки:
/> . (3.6)
Вибираємо, виходячи з практичнихміркувань:
a = 5 мм, b = 1 мм;
/>.
/>
Рисунок 3.1 – Форма каркасу резистивногоелемента
6 Визначення кількості витків резистивногоелемента n:
/>, (3.7)
/>.
7 Визначення кроку намотки tнчерез L, a, b:
/>, (3.8)
/>.
Цей результат приблизно рівнийпопередньому розрахунку, отже крок намотки вибраний правильно.
8 Визначення діаметру каркасу, зігнутого упідковоподібну форму:
/> , (3.9)
де D – діаметр каркасу, мм;
ln – довжина каркасу в томувипадку, якщо би він мав форму замкненого кола, мм, що визначається зпропорції:
360° — ln
φ — l0 ,
де φ – кут повороту рухомогоконтакту, град;
/> , (3.10)
/>;
/> .
9 Визначення загальної довжини каркасу l:
/>, (3.11)
де l0– довжина активноїчастини каркасу, мм;
D – відстань від краю каркасу до кінцяабо початку обмотки,
призначена для його закріплення, мм;
/>.
3.2 Розрахунок контактної пружини
В якості матеріалу контактної пружинивиберемо сплав золота (80%) і міді (20%), який має високу твердість іелектропровідність, стійкий до корозії і зварювання.
Конструкцію виберемо у вигляді консольнозакріпленої пружини круглого перетину (рисунок 3.2):
/>
Рисунок 3.2 – Конструкція контактноїпружини
Визначення діаметра пружини проводитьсязгідно формули [1.81]:
/>, (3.12)
де dпр – діаметр пружини, мм;
Fк – мінімальне контактнезусилля, г;
Е – модуль пружності, кг/мм2;
σ – напруження в матеріалі пружини,кг/мм2;
γ – густина матеріалу пружини, г/см3[1.43];
ƒ – прогин пружини, мм, якийвизначається з формули:
/>, (3.13)
де lпр — довжина пружини, мм.
Задаємо довжину пружини як половину віддіаметрукаркасу резистивного елемента, що складає 18 мм. Тоді lпр = 9 мм.Отже:
/>, (3.14)
/> ;
/>.
3.3 Теплотехнічний розрахунок
Визначення температури перегрівурезистивного елемента при встановленому тепловому режимі проводиться згідноформули [1.106]:
/> , (3.15)
де J – температура перегрівурезистивного елемента, град;
P – потужність розсіювання, Вт;
μ – середнє значення коефіцієнта тепловіддачі[1.106],
Вт/мм2·град;
Sр.е .– площа поверхні резистивногоелемента, мм2, що визначається за формулою:
/>, (3.16)
де d – діаметр проводу, мм;
L – довжина проводу, мм;
/>;
/>.
3.3 Розрахунок частотних характеристик
1 Розрахунок індуктивності резистивногоелемента з прямо-лінійним каркасом прямокутного перетину проводиться згідноформули [1.111]:
/>, (3.17)
де L – індуктивність резистивногоелемента, Гн;
n – кількість витків резистивногоелемента;
b – ширина каркасу, мм;
h – висота каркасу, мм;
l – довжина каркасу, мм;
k4 – поправочний коефіцієнт, щозалежить від геометричних розмірів каркасу, який для випадку h/l
/>, (3.18)
де k5 і k6 –коефіцієнти, що залежать від співвідношення b/h, наведені на графіках [1.112].
Для співвідношення b/h = 0.1: k5= 0.18, k6 = 0.025;
/>,
/>.
2 Розрахунок власної ємності резистивногоелемента з каркасом круглого перетину з діелектрика проводиться за формулою[1.111]:
/> , (3.19)
де С – власна ємність, пФ;
k1 – коефіцієнт, що залежитьвід співвідношення між кроком намотки tн і діаметром резистивногопроводу;
k2 – коефіцієнт, що залежитьвід співвідношення між довжиною намотки резистивного елемента l0ідіаметром каркасу резистивного елементу dк;
dк – діаметром каркасурезистивного елементу, мм.
Приведемо перетин резистивного елемента зпрямокутного до круглого і визначимо діаметр цього круглого перетину. Для цьоговизначаємо площу прямокутного перетину резистивного елемента SП:
/>, (3.20)
де b – ширина резистивного елемента, мм;
h – висота резистивного елемента, мм;
/>.
Діаметр резистивного елемента круглогоперетину визначається за формулою:
/>, (3.21)
де S – площа перетину резистивного елемента, мм2, у даномувипадку S = Sп. Тоді:
/>.
Для співвідношення tн/dk= 1.25 і l0/dk = 18.4 коефіцієнти k1 і k2згідно графіка [1.111] відповідно становитимуть:
k1 = 0.2,
k1 = 6;
/>.
4. ЕСКIЗНЕ ОПРАЦЮВАННЯ ЕЛЕМЕНТА IОБГРУНТУВАННЯ ПРИЙНЯТИХ РIШЕНЬ
У курсовому проектi розробляєтьсяпроволочний резистор змiнного опору зплоским прямолiнiйним резистивним елементом. Резистивний провiд намотаний накаркас, який зiгнутий у пiдковоподiбну форму так, що струмознiмання проходить врезультатi колового обертання ковзаючого контакту. Плоский резистивний елементвибирається виходячи з середньої потужностi (1 Вт) i з того, що плоский каркас займаєменше мiсця, нiж круглий.
Струмознiмання проводиться за допомогоюконтакта, виконаного iз сплава золота i мiдi в формi плоскої пружини круглоїформи, що на одному кiнцi переходить в сам контакт, який у перерiзi утворюєдугу. Конструкцiя контактної пружини круглого перетину у формi консольнозакрiпленої балки була вiдхилена iз-за низької технологiчностi виконання iтрудоємностi її закрiплення.
Фiксацiя встановленого опору, утвореннянеобхiдного контактного зусилля i одночасно струмознiмання вiд рухомогоконтакту досягається за допомогою плоскої контактної шайби, яка переходить узовнiшнiй контакт i притискається до контактноi системи цилiндричною пружиною зкруглої проволоки з однiєї сторони i стопорних шайб з другої. Це дозволяє легкорегулювати контактне зусилля i не потребує великих зусиль при перемiщеннiконтактної системи.
Втулка з рiзьбою, запресованa в корпус, дозволяє легко та зручно розмiститирезистор у схемi.
У загальному конструкцiя проста i разом зтим надiйна, що не потребує великих витрат, а також зручна в серiйномувиробництвi.
5.УТОЧНЕННЯ I ОПИС КОНСТРУКЦIЇ
Основним елементом у змiнному проволочномурезисторi є резистивний елемент i контактна система. Тому їм надається особливаувага.
Кiнцi резистивного проводу закрiплюютьсяна контактах методом контактного зварювання разом iз зварюванням кiнця контактупiсля обтискування резистивного елементу.
Закрiплення резистивного елементупроводиться за допомогою клею. Додатково жорсткiсть конструкцiї досягається зарахунок контактiв, що виводяться назовнi через додаткову iзоляцiйну панель.
Вiсь перемiщення контактної системиздiйснює свої рухи в металiчнiй втулцi iз зовнiшнью рiзьбою М8, довжина якої 10мм. Втулка має 4 поздовжнiх вирiзи для створення сили тертя i щоб зменшити зносвiсi. На кiнцях вiсь має проточки: одна для надiйного закрiплення тримачаконтакта, а друга — для стопорних шайб, що створюють вiдповiдне контактнезусилля.
Контактна система складається iз самогоконтакту, закрiпленого на тримачi, та контактної шайби, що притискається доконтакту з допомогою цилiндричної пружини, друга сторона якої зафiксована успецiальному заглибленнi корпусу. Вивiд контактної шайби проходить черезiзоляцiйну панель i виходить назовнi.
Iзоляцiйна панель виконується iз того жматерiалу що i корпус, i має форму частини цилiндра з вирiзами, що вiдповiдаютьвирiзам корпусу, i центрального потовщення, що грає роль упору для перемiщенняконтактної системи в межах заданого кута.
Кришки на корпусi немає, так як умовиексплуатацiї резистора всерединi примiщення.
ВИСHОВКИ
У результаті проектування був отриманийпроволочний резистор змінного опору типу А. Його характеристики наведені упаспорті.
Резистор має невеликі габаритні розміри,що зручно в експлуатації. Кріпиться резистор у схемі за допомогою гайок, що накручуютьсяна втулку, тому не потрібні ніякі інші кріплення.
У результаті електричних розрахунківпараметри резистора були покращені, зокрема зменшена розділювальна здатність.Власна ємність та індуктивнсіть є незначними, тому вони не будуть значно впливатина параметри схеми, у якій встановлюється резистор.
Отримана конструкція резистора зручна присерійному виробництві, так як не потребує складного технологічного обладнання ітехнологічних операцій. Разом з тим конструкція надійна, а строк її роботи можебути продовжений за допомогою ремонту, так як резистор легко розбирається.
Вартість конструкції не дуже висока і восновному визначається вартістю проводу, матеріалу корпусу та контакту.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1 Проволочныерезисторы. Под ред. М.Т. Железнова и Л.Т. Ширшева. – М.: Энергия,2000. – 240 с.
2Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы / В.Л.Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович, Л.Г. Юдовин. – Мн.: Выш. Шк., 2008. –272 с.