Министерство образования и наукиУкраины
Харьковскийнациональный университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭАКурсовой проектПояснительнаязаписка
Тема проекта:Расчёт сопротивления
АННОТАЦИЯ
Данный проектпредставляет собой разработку переменного резистора для измерительнойаппаратуры. Резистор имеет мощность 0,6Вт. При сопротивлении 900.Ом.
Принято решениеразработки проволочного резистора, с каркасом прямоугольного сечения. Объемпояснительной записки 19 страниц.
СодержаниеВведение
1. Анализ ТЗ
2. Обзор аналогичныхконструкций и выбор проектирования
3. Электрический иконструктивный расчет:
3.1 Расчетрезистивного элемента
3.2 Теплотехническийрасчет
3.3 Расчет частотныххарактеристик
3.4 Расчет контактнойпружины
4. Эскизнаяпроработка элемента и обоснование принятых решений
5. Уточнение иописание конструкцииПаспорт
Выводы
Перечень ссылок
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитиерадиопромышленности и приборостроения, разработка аппаратуры на интегральных ибольших интегральных схемах, создание ЭВМ третьего и четвертого поколений сколоссальными возможностями переработки информации, а также автоматическихсистем управления стимулируют расширение производства существующих и созданиеновых типов переменных резисторов для регулирования режимов и подстройкиэлектронных цепей к заданным параметрам.
Разработка переменныхрезисторов – это решение совокупности сложных технических задач по синтезупроводящих и изолирующих материалов, расчету элементов конструкции иопределению оптимальных режимов их изготовления.
Научно-техническаяпроблема создания переменных резисторов складывается из трех основных звеньев:
а) разработка и внедрениев производство новых типов переменных резисторов, отвечающих настоящим иперспективным требованиям промышленности;
б) унификация конструкций(создание базовых конструкций) и типизация технологических процессовпроизводства переменных резисторов;
в) разработка теориирасчета электрических параметров и создание теории расчета элементовконструкции переменного резистора.
1.АНАЛИЗ ТЗ
Согласнотехнического задания необходимо спроектировать резистор переменногосопротивления с такими характеристиками:
1. сопротивление 900 Ом;
2. номинальная мощность P=0,6 Вт;
3. обеспечить логарифмическое перемещение элемента
4. выпуск: 500 шт./год;
5. условия эксплуатации: – УХЛ4.2 ГОСТ 15150-69.
СогласноГОСТ 15150-69 резистор должен соответствовать климатическому исполнению длямикроклиматических районов с умеренным и холодным климатом в лабораториях присреднегодовом минимуме температуры ниже -45°С.
Исходяиз данных, для обеспечения приемлемых габаритных размеров, формы, а также дляпростоты изготовления в качестве материала для резистивного элемента выбираемманганин – медно-марганцевый сплав. Необходимо обеспечить хороший контактпружины токосъема к резистивной проволоке при минимальном контактном усилии инадёжную фиксацию установленного сопротивления.
Длярезистивного элемента нужно выбирать каркас прямоугольного сечения, так какнеобходимо обеспечить логарифмическое перемещение элемента .
Номинальнаямощность резистора равна 0,6 Вт. Согласно классификации такая мощность относитего к классу резисторов средней мощности.
Производстворезисторов – серийное. По этому нужно обеспечить простоту изготовления ииспользовать для него недорогие материалы.
2. Обзор аналогичных конструкцийи выбор направления проектирования
Конструкция заданногопроволочного переменного резистора в большей степени зависит от заданныххарактеристик. После анализа технического задания стало известно, что конструируемыйрезистор должен иметь каркас прямоугольного сечения, с однослойной намоткой сфиксированным шагом, что позволяет добиться наименьших отклонений от заданногосопротивления, что важно для элементов измерительной аппаратуры.
Аналогичными конструкциями дляданного резистора являются конструкции проволочных резисторов СП5-1, СП5-4. Вэтих резисторах регулировка сопротивления осуществляется с помощьюмикрометрических винтов. Недостатком этой конструкции является сложность,обусловленная тем, что здесь используются 2 независимых токосъема, что нетребуется для разрабатываемого резистора.
Более подходящую конструкциюимеют резисторы СП5-14 и СП5-15. Кроме более простого исполнения данныерезисторы имеют подходящую форму контактной пружины. Контактная пружина данногорезистора имеет вид консольной балки, что позволяет выбрать значенияконтактного усилия в довольно широких пределах. Отрицательной стороной данныхрезисторов является их герметичность, что не позволяет делать разборкурезистора.
Учитывая эти недостатки всуществующих резисторах относительно проектируемого выбираем следующиенаправления:
- перемещениескользящего контакта производить с помощью метрического винта;
- фиксацияустановленного сопротивления с помощью пружин;
- токосъемвыполним в виде консольной пружины круглого сечения;
- корпусрезистора не герметичный, так как условия работы – лаборатории, и другиеподобные помещения.
3. Электрический иконструктивный расчет
3.1 Расчет резистивногоэлемента
Определим ток,протекающий через наш резистивный элемент, по формуле [1]:
/> (3.1.1)
где I – ток, А; Р –мощность, Вт; R – сопротивление, Ом.
/>
Зная ток, определимдиаметр проволоки по формуле [1]:
/> (3.1.2)
j — плотность токавыбираем, учитывая условия температурной стабильности и малые габаритныеразмеры будущего резистора j=1.8/>, так какпроектируемый резистор должен быть достаточно маломощным, а также сила токаI=26мА — довольно небольшая величина. Из конструктивных соображений диаметрпровода резистивного элемента выбираем d=0.15мм.
/>
При таком диаметре проволоки еедлина должна равняться:
/> , (3.1.3)
/>где ρ –удельноеэлектрическое сопративление, Ом·мм2/м, для Манганина составляет 0,5Ом·мм2/м
/>
Выбираем размеры каркаса:
D=3…5 См
/>
Для обеспечения требуемойразрешающей способности =0,01%,D=0.5мм,/>
Определяем полезную длинунамотки по формуле:
B=0.85/>; />
B=0.85/>
Количество витков, котороеможно разместить на этой длине, определяется по формуле:
/>; />
N=/>,
где />шаг намотки, он равен />d=/>
/>коэффициент численно равный шагунамотки к диаметру провода.
Разрешающая способностьпроектируемого резистора определяем по формуле:
/>; />,
где N- количество витков
/>=0,011%
Это соответствуетзаданной разрешающей способности.
Площадь поверхностирезистивного элемента определяем по формуле:
/>; />,
где d-диаметрпровода=0,15мм
R-сопротивлениепроектируемого резистора=900Ом
/>
Определяем ширину каркасапри помощи расчета:
Так как проектируемыйрезистор должен обладать логарифмической функциональной характеристикой, тоширина каркаса будет не одинаковой и поэтому необходимо с начало рассчитать покакому закону будет изменяться ширина каркаса:
/>; />,
где />значение высоткаркаса(каркас мы разбиваем на прямоугольники, высоты которых изменяются пологарифмическому закону. Количество таких прямоугольников выбираем равным 8.Изконструктивных соображений />, а />
/>-определяем по формуле:
/> ; />,
где />угол укладки провода накаркас.При использовании данного провода />
/>Коэффициент учитывающий особенностиизгиба проволоки на каркас, берём равным 1,05.
/>
Тогда:
/>;/>;/>;/>;/>;/>;/>;
3.2 Теплотехническийрасчет
Определение температурыперегрева резистивного элемента при установленном тепловом режиме проводитсясогласно формулы:
/> (3.2.1)
где J – температура перегрева резистивногоэлемента, град;
P – мощность рассеяния,Вт;
μ – среднее значениекоэффициента теплоотдачи =/>,
Вт/мм2·град;
Sр.е. – площа поверхностирезистивного элемента, из формулы 3.1.7
Тогда:
/>
Максимальная температуранагрева равна резистивного элемента определяется по формуле:
/>; />
Т0–температураокружающей среды=60/>С
/>С
Это температура меньшерабочей температуры материалов, входящих в рассчитываемый резистор.
3.3 Расчет частотныххарактеристик
Расчет индуктивностирезистивного найдем по формуле:
/> (3.3.1)
где L – индуктивностьрезистивного элемента, Гн;
N – количество витковрезистивного элемента;
Dк – диаметр каркаса, мм;
k3 – коэффициент,зависящий от соотношения Dk/b, при Dk/b= 0.36, k3=0.11.
/>
Расчет собственнойемкости резистивного элемента производится по формуле:
С=0.1k1k2Dk (3.3.2)
где С – собственнаяемкость, пФ;
k1 – коэффициент,зависящий от соотношения между шагом намотки tн и диаметром резистивнойпроволоки;
k2 – коэффициент,зависящий от соотношения между длиной намотки резистивного элемента l0 идиаметром каркаса резистивного элемента dк;
Dк –диаметр каркасарезистивного элемента, мм.
Для соотношения />/d = 4 и b/d =1 коэффициенты k1 и k2 согласно [3] принимают значения:
k1 = 0,4,
k2 = 1,1.
Тогда:
/>
Постоянная времениопределяется по формуле равна:
/>; />
3.4 Расчет контактнойпружины
При выборе материалапружины надо выбрать материал, имеющий высокую электропроводность, твердость,стойкость против сваривания, высокую износоустойчивость в паре с выбраннойпроволокой. Таким материалом является сплав ПСр-25 ГОСТ 6836-72. Конструкциювыбираем в виде консольной пружины круглого сечения.
Диаметр такой пружиныопределяется согласно формуле:
/> (3.4.1)
где dпр –диаметр пружины, мм
Fk –минимальное контактное усилие,
Е — модуль упругости, кг/мм2
s — напряжение в материале пружины, кг/мм2
fв — максимальная частота вибраций,1/сек
g — плотность материала пружины
/>Длинупружины определим по формуле [2]:
/> (3.4.2)
/>
Определим прогиб пружины поддействием контактного усилия
/>/> (3.4.3)
/>(мм)
Притаких характеристиках пружины, резистор будет иметь заданный ресурс работы, иобеспечивать хороший контакт.
4. Эскизнаяпроработка элемента и обоснование принятых решений
В данной работе разрабатывается проволочный резисторпеременного сопротивления с прямоугольным резистивным элементом. Резистивнаяпроволока намотана на каркас и согнута в подковообразную форму так, чтотокосъем происходит в результате кругового движения скользящего контакта.Круговое перемещение обусловлено тем, что при таком изготовлении резистор будетиметь меньшие габаритные размеры. Плоский резистивный элемент выбирается потому, что большая длина наматываемой проволоки (L=34,4м). При той же длине онзаймет меньше места, чем цилиндрический.
Токосъем производится с помощью контактной пружины,выполненной из сплава серебра и меди в виде консольной балки. Форма объясняетсятем, что этот резистор рассчитан на большой ресурс работы, а эта конструкцияпозволяет создать небольшие и стабильные контактные усилия.
Выбранная резистивная проволока латунная марки ВР02 имеетминимальный ТКС, что значительно повышает стабильность установленногосопротивления. Такая проволока обеспечивает высокое сопротивление (R=900 Ом),при диаметре проволоки d=0,15 мм. Шаг намотки />ммобеспечивает разрешающую способность d=0,01%.
Токосъем производится спомощью плоской и тонкой пружины, одним концом припаянной к выводу резистора, адругим – к концу контактной пружины. Её конструкция рассчитана на большой строкслужбы.
Сама пружина жесткозакреплена на держателе, который в свою очередь соединен с осью вращения.приводящей в вращение всю контактную систему.
Фиксация установленногосопротивления и образование необходимого контактного усилия достигается спомощью контактных шайб, расположенных на оси вращения. Такая конструкцияобеспечивает легкую регулировку контактного усилия, надежную фиксациюсопротивления, не требует больших усилий для перемещения контактной пружины.
5. Уточнение и описание конструкции
Основным элементом впеременном резисторе является резистивный элемент и контактное устройство.
В данной конструкцииэлектрический контакт обмотки с выводом создается таким образом: конецрезистивного провода зачищается от изоляции и припаивается к выводам. Дляфиксации намотки используется дополнительное крепление – пропитка еёизоляционным лаком. Крепление резистивного элемента производится клеем вспециальном пазе.
Сама конструкцияпредставляет собой пластмассовый корпус с впрессованными в него выводами. Вкорпус вклеивается резистивный элемент, представляющий собой изолированныйцилиндрический каркас, на который намотана резистивная проволока. В корпусерезистора предусмотрены отверстия, в которые вставлен микрометрический винт.Для исключения продольного смещения винт закреплен штифтом. В корпус вклеенатокосъемная шина. Представляющая собой металлическую пластину. Вместе спластиной изготовлен вывод, который отведен в отверстие корпуса. На винтерасполагается изоляционная гайка, на которой укреплена контактная пружина.Контактная пружина, с одной стороны, контактирует с резистивным элементом, а сдругой – с токосъемной шиной. С целью обеспечения надежной работы резистора приреализации зачистки необходимо руководствоваться такими требованиями: глубиназачистки 150 – 200 мкм; класс томности 8 – 9.
Каркас резистораимеет переменную ширину, это обеспечивает необходимый закон изменениясопротивления. Каркас анодируем, а затем покрываем двумя слоями изоляционноголака.
ПАСПОРТ
Данный резистор предназначен дляиспользования в измерительной аппаратуре.
Электрические данные:
1. Номинальная мощность Р = 0,6Вт
2. Сопротивление R = 900 Ом
3. Электрическая разрешающаяспособность />
4. Собственная индуктивность L =32 мкГн
5. Собственная ёмкость С= 1,1 пФ
6. Постоянная времени τ= 0,35 мкс
Конструктивные данные:
1. Диаметрконтактной пружины dпр = 0.3 мм
2. Длина контактнойпружины lпр = 9,2 мм
3. Количество витковN = 16
4. Диаметр проволокиd = 0,4мм
5. Длина проволоки L= 32,4м
6. Шаг намотки />мм
7. Длина каркаса l = 138 мм
8. Диаметр каркаса D= 50 мм
Условия эксплуатации:
Климатические УХЛ 4.2. ГОСТ15150-69
ВЫВОДЫ
В результате проектирования былополучено проволочный резистор переменного сопротивления. Его характеристики,приведенные в паспорте, говорят о его достоинствах и недостатках.
Сам резистор имеет средниегабаритные размеры, что удобно при регулировке.
Недостатком являетсяналичие значительных емкостей и индуктивностей, что ограничивает применениерезисторов на высоких частотах нормально
Конструкция надежна идолговечна, подлежит ремонту и замене, резистор пригоден для серийногопроизводства.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. М.Н.Мальков, В.Н. Свитенко Устройства функциональной электроники иэлектрорадиоэлементы, часть I. Харьков: ХИРЭ, 2002. – 140с.
2. М.Т. Железнов, Л.Г. Ширшев. Проволочные резисторы. М. Энергия.2000. – 240с.
3. Резисторы: Справочник. Под ред.И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.