Министерство образования и науки Украины
Харьковский государственый технический университетрадиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по предмету: Элементная база ЭА
на тему: Резистор переменного сопротивления типа А
Разработал
Руководитель проекта
2009
Содержание
Введение
1. Анализ ТЗ
2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направленияпроектирования
3. Электрический и конструктивный расчет
3.1 Расчет резистивного элемента
3.2 Расчет контактной пружины
3.3 Теплотехнический расчет
3.4 Расчет частотных характеристик
4. Эскизная проработка элемента и обоснование принятыхрешений
5. Уточнение и описаниеконструкции
Выводы
Перечень ссылок
Задание на курсовой проект (работу) студента
1. Тема проекта (работы): Резисторпеременного сопротивления с круговым вращением подвижной системы.
2. Срок сдачи законченного проекта(работы): 24.04.2001
3. Исходные данные к проекту (работе):
Rmin
ТКR
диаметр оси управления 4мм; maxдиаметр резистора 25мм; ресурс работы-105 передвижений.
Условия эксплуатации:
климатические УХЛ 2.1 ГОСТ 15150- 69;
выпуск n=100 000 шт. /год.
Введение
За, последние годы широкоеприменение получила радиоэлектронная техника, характер и функции которойтребуют применения десятков и сотен тысяч различных комплектующих изделий. Срединих резисторы составляют значительную часть.
Они выполняют ответственнуюфункцию — перераспределение электрической энергии между другими элементами схем- и составляют до 50% общего числа элементов радиоэлектронной аппаратуры.
Проволочные резисторы находятширокое применение, так как они имеют следующие достоинства:
Возможность изготовлениярезисторов с точной величиной номинального сопротивления;
Высокую стабильностьсопротивления при воздействии различных внешних факторов;
Малую величину температурногокоэффициента сопротивления;
Большую допустимую мощностьрассеяния;
Устойчивость к электрическимперегрузкам;
Незначительный уровеньсобственных шумов;
Высокую радиационную стойкость;
Высокую износоустойчивость и др.
Благодаря этим достоинствампроволочные резисторы успешно используются в таких радиоэлектронныхустройствах, к которым предъявляются повышенные требования точности истабильности электрических и эксплуатационных параметров.
Резисторы используются вэлектронной аппаратуре, различных системах автоматического управления ирегулирования, в электрооборудовании транспорта и измерительной технике. Припомощи потенциометров можно не только преобразовать механическую величину вэлектрическую, но и реализовать требуемую функциональную зависимость междуэтими величинами.
В этом курсовом проекте такжерешается задача конструирования переменного проволочного резистора,предназначенного для электрического моделирования физических процессов. Всятрудность заключается в том, что при не большом сопротивлении и рассеиваемоймощности он имеет большую разрешающую способность, что позволяет отнести его кпотенциометрам.
То есть данный курсовой проектявляется вкладом в процесс развития проволочных переменных резисторов.
1. Анализ ТЗ
Согласно технического заданиянеобходимо спроектировать резистор переменного сопротивления с такимихарактеристиками:
номинальное сопротивление R=10Ом;
номинальная мощность P=5 Вт;
разрешающая способность d
температурный коэффициентсопротивления
ТКС=± (5¸30) ×10-6 1/град;
термо е. д. с. Тэдс=-2мкВ/град;
момент вращения m=0,1 Н/м;
ресурс роботы 105 вращений;
выпуск n=105 шт/год;
условия эксплуатации:
климатические — УХЛ 4.2 ГОСТ15150-69;
механические — IV ст. ж. ГОСТ16962-72.
Будущий резистор должен бытьсогласно ГОСТ 15150-69 по климатическому исполнению эксплуатироваться вмикроклиматических районах с умеренным и холодным климатом в лабораторных,капитальных жилых и других подобных помещениях. Исходя из данных, дляобеспечения ТКС и Тэдс в качестве материала для резистивногоэлемента по [1.39] выбираем манганин — медно-марганцевый сплав, который состоитиз 83¸86,5% меди, 11¸13,5% марганца и 2,5¸3,5% никеля. В манганине
r=0,42¸0,48 Ом×мм2/м,ТКС=± (0,5¸30) ×10-51/град, Терс=1 мкВ/град.
Намотку резистивного элементапроизведём манганиновым проводом марки ПМТ — твёрдый, с изоляцией в один слой свысокотвердой эмали и диаметром жилы от 0,02 до 0,8 мм.
Так как резистор должен иметьресурс работы 105 вращений, то необходимо обеспечить хороший контактпружины токосъема к резистивной проволоке при минимальном контактном усилии инадёжную фиксацию установленного сопротивления.
Для резистивного каркаса нужновыбирать плоский каркас, так как он имеет меньший объем чем цилиндрический.
Номинальная мощность будущегорезистора равна 2 Вт, что относит его классу резисторов средней мощности,поэтому у него будет отсутствовать большой перегрев.
Производство резисторов — серийное. По этому нужно обеспечить простоту изготовления и использовать длянего недорогие материалы.
2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направленияпроектирования
Конструкция заданногопроволочного переменного резистора в большей мере зависит от заданных характеристик.Следовательно, после анализа технического задания стало известно, что конструируемыйрезистор должен иметь плоский резистивный элемент с постоянным сечением в видепрямоугольника.
Так как резистор имеет большое сопротивление,а соответственно большие размеры резистивного элемента, то для уменьшениягабаритных размеров следует сделать резистивный элемент подковообразной формы.
Аналогичными конструкциями дляданного резистора являются конструкции проволочных резисторов с круговым перемещениемподвижного контакта СП5-2, СП5-3, СП5-2Т и СП5-3Т. Эти резисторы, для приведенияв движение скользящего контакта, используют червячную передачу, чтонежелательно использовать в данном резисторе. Так как эта конструкция из-за своихмалых размеров может выйти из строя раньше времени (за счет износа вала), необеспечивает плавного изменения сопротивления и для создания определенногоконтактного усилия и фиксации установленного сопротивления требуетдополнительных затрат.
Более подходящую конструкцию имеетмалогабаритный построечный резистор СП15-16Б, в котором прижим контактной системык токосъему осуществляется за счет пружины. Контактная пружина имеет вид консольнойбалки, что позволяет выбрать значения контактного усилия в довольно широкихпределах. Но отрицательной стороной этих резисторов является их герметичность,что не позволяет делать разборку резистора. Общим неподходящим элементом этихконструкций для разрабатываемого резистора является то, что у них резистивныйэлемент является струнным и контактная пружина находится между держателем ирезистивным элементом. Пружина, прижимающая контактную систему к токосъему,находится в середине корпуса, создавая усилия за счет своей упругости ижесткости материала корпуса.
Учитывая эти недостатки всуществующих резисторах, относительно проектируемого выбираем следующиенаправления:
Вращение скользящего контактапроизводить с помощью пружин;
Фиксация установленногосопротивления с помощью пружин;
Создание контактного усилия спомощью пластинчатых пружин и стопорных шайб для возможности его регулировки;
Токосъем выполним в видеконсольной пружины круглого сечения, а соединение контакта и вывода произведёмв виде спирали;
Корпус резистора — открытый, тоесть крышки не имеет, так как условия работы — лаборатории, жилые дома и другиеподобные помещения.
3. Электрический и конструктивный расчет3.1 Расчет резистивного элемента
Определение площади плоскогокаркаса резистивного элемента производится согласно формулы [1.73]:
/>,(3.1)
где S — площадь каркаса, мм2,P-электрическая мощность рассеяния, Вт;
J-перегревобмотки, равный разности между максимально допустимой температурой на обмотке иноминальной температуры окружающей среды, ˚C;
μ -средний коэффициенттеплоотдачи резисторов, что лежит в пределах (5÷20) ·10-5Вт/мм2·град [1.73];
/>
Определение диаметра проволоки:
/> (3.2)
где d -диаметр проволоки, мм;
ρ -удельное электрическоесопротивление, Ом·мм2/м, для манганина составляет 0,46 Ом·мм2/м[1.39];
R -сопротивление обмотки, Ом;
к -коэффициент, числено равныйотношению шага намотки к диаметру проволоки. Для резистивных элементов, сизолированной проволокой к = 1,05÷1,2 [1.73];
/>
Определение длины проволоки L,мм:
/>, (3.3)
/>/>.
Определение шага намоткипроволоки tн, мм:
/> (3.4)
/>.
Определение длины каркаса:
Площадь плоского каркасаопределяется по формуле:
/>/>, (3.5)
где l0-длинаактивной части каркаса, мм;
a — высота каркаса, мм;
b — ширина каркаса, мм.
Отсюда:
/>. (3.6)
Вибираем, исходя из практическихсоображений:
a = 10 мм, b = 1 мм;
/>. (mm)
Определение количества витковрезистивного элемента n:
/> (3.7)
/>.
Определение шага намотки tнчерез L, a, b:
/> (3.8)
/>.
Этот результат приблизительноравный прежнему расчету, значит шаг намотки выбран правильно. Из конструктивныхсоображений задаем угол поворота 3000. Вычислим длину каркаса, еслибы он имел форму замкнутой окружности
/>
Определим диаметр каркаса
/> (3.9),/>
Определим разрешающуюспособность проэктируемого резистора[1.83]
/> (3.10)
/>
Полученная разрешающаяспособность намного больше заданной.3.2 Расчет контактной пружины
В качестве материала пружинывыбираем сплав золота (80%) и меди (20%), который имеет высокую твердость иэлектропроводность, стойкий к коррозии и свариванию.
Конструкцию выбираем в видеконсольной пружины круглого сечения.
Определим диаметр пружины
/> (3.11)
где dпр — диаметрпружины, мм
Fk — минимальноеконтактное усилие, г
Е — модуль упругости, кг/мм2
s- напряжение в материале пружины, кг/мм2
fв — максимальная частота вибраций,1/сек
g- плотность материала пружины
/>
Определение длины пружины
/> (3.12)
/>
Определим прогиб пружины поддействием контактного усилия
/> (3.13)
/>
Определим коэффициент запаса поконтактному усилию
/> (3.14)
где а=40 см/сек — максимальнаявеличина ударных или линейных ускорений. При таких характеристиках пружины,резистор будет иметь заданный ресурс работы, и обеспечивать хороший контакт.
3.3 Теплотехнический расчет
Определение температурыперегрева резистивного элемента при установленном тепловом режиме проводитсясогласно формулы [1.106]:
/> (3.15)
где J — температура перегрева резистивного элемента, град;
P — мощность рассеяния, Вт;
μ — среднее значениекоэффициента теплоотдачи [1.106],
Вт/мм2·град;
Sр. е. — площадь поверхностирезистивного элемента, мм2, которая определяется по формуле:
/>
Тогда:
/>3.4 Расчет частотных характеристик
Расчет индуктивностирезистивного элемента с прямолинейным каркасом прямоугольного сеченияпроизводится по формуле [1.111]:
/> (3.16)
где L — индуктивностьрезистивного элемента, Гн;
n — количество витковрезистивного элемента;
b — ширина каркаса, мм;
h — высота каркаса, мм;
l -длина каркаса, мм;
/>
Расчет собственной емкостирезистивного элемента с каркасом приведенным до круглого сечения изготовленногос диэлектрика производится по формуле [1.111]:
С=0.1k1k2dk(3.17)
где С — собственная емкость, пФ;
k1 — коэффициент, чтозависит от соотношения между шагом намотки tн и диаметромрезистивной проволоки;
k2 — коэффициент, чтозависит от соотношения между длиной намотки резистивного элемента l0и диаметром каркаса резистивного элемента dк;
dк -диаметр каркасарезистивного элемента, мм.
Произведем перерасчетрезистивного элемента с прямоугольным сечением в круглый и определим егодиаметр.
/> (3.18)
/>
де a — ширина резистивногоэлемента, мм;
b — высота резистивногоэлемента, мм;
Для соотношения tн/dk= 1.07 и l0/dk = 8.7 коэффициенты k1 і k2согласно графику [1.111] принимают значения:
k1 = 2.5,k2= 3.
Тогда:
/>
4. Эскизная проработка элемента и обоснованиепринятых решений
В данной работе разрабатываетсяпроволочный резистор переменного сопротивления с прямоугольным резистивнымэлементом. Резистивная проволока намотана на каркас и согнута в подковообразнуюформу так, что токосъем происходит в результате кругового движения скользящегоконтакта. Круговое перемещение обусловлено тем, что при таком изготовлениирезистор будет иметь меньшие габаритные размеры. Плоский резистивный элементвыбирается по тому, что большая длина наматываемой проволоки (L=17.63м). Притой же длине он займет меньше места, чем цилиндрический.
Токосъем производится с помощьюконтактной пружины, выполненной из сплава золота и меди в виде консольной балки.Форма объясняется тем, что этот резистор рассчитан на большой ресурс работы, аэта конструкция позволяет создать небольшие и стабильные контактные усилия.
Выбранная резистивная проволокамарки ПЭВМТ-1 имеет минимальный ТКС, что значительно повышает стабильностьустановленного сопротивления. Такая проволока обеспечивает высокоесопротивление (R=2,2кОм), при диаметре проволоки d=0,07 мм. Шаг намотки tш=0,075мм обеспечивает разрешающую способность d=0,12%.
Для хорошего контакта врезистивном элементе делается выборка глубиной 10…30*10-3мм и имеет 8-10 класс точности.
Токосъем производится с помощьюплоской и тонкой пружины, одним концом припаянной к выводу резистора, а другим — к концу контактной пружины. Её конструкция рассчитана на большой строк службы.
Сама пружина жестко закрепленана держателе, который в свою очередь соединен с осью вращения. приводящей ввращение 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.
Ещё одно достоинство такойконструкции заключается в том, что резистор поддается ремонту, в частностизамене стержня пружины на оси. А такая замена существенно продлевает строкслужбы резистора.
Держатель с контактной пружинойи резистивный элемент помещаются в среди пластмассового корпуса,обеспечивающего изоляцию и защиту от механических воздействий, и удобноекрепление резистора.
В целом конструкция проста инадёжна, не требует больших затрат средств и пригодна для серийногопроизводства.
5. Уточнение и описание конструкции
Сконструированный переменныйрезистор состоит из корпуса, который имеет круглую форму и изготовлен изпластмассы.
Основным элементом в переменномрезисторе является резистивный элемент и контактное устройство.
В данной конструкцииэлектрический контакт обмотки с выводом создается обжатием металлическойобоймой вокруг конечных витков обмотки. Используется и дополнительное крепление- пропитка её изоляционным лаком. Крепление резистивного элемента производитсяклеем в специальном пазе.
Крепление контактной пружины кдержателю осуществляется впайкой её в металлический цилиндр с подошвой,прикрепленный к держателю клеем.
Ось перемещения контактнойпружины совершает свои движения в металлической втулке с наружной резьбой,впрессованной в основание корпуса. На основании втулки, в специальных пазах,располагаются плоские пружины, которые создают фиксацию сопротивленияпосредством обжатия оси вала вращения. Таких пружин имеется 4, они упругие ипластичные, отшлифованные до 10 класса точности, что бы создавать минимальнуюсилу трения с осью вращения. Между держателем и втулкой размещены еще 2 пружиныдля регулировки контактного усилия. В держатель впрессована металлическаяшайба, которая предотвращает преждевременный износ держателя.
На держателе, соосно контактнойпружине, есть выступ, который ограничивает угол поворота скользящего контакта.
Токосъемная пружина расположенанад держателем, и одним концом припаяна к токосъему, а другой к выводу. Осьвращения вставлена в держатель, и на конце имеет паз для стопорных шайб,создающих контактное усилие. Также имеет выступ для насадки на него фишки дляудобства вращения. Внешние выводы с наружи переменного резистора выполнены ввиде пластин и впрессованы в корпус.
ПАСПОРТ
Данный резистор предназначен для электрического моделированияфизических процессов.
Электрические данные:
Номинальное сопротивление RH=10кОм
Номинальная мощность PH=5Вт
Разрешающая способность d =0.7%
Угол поворота a =3000
Собственная индуктивность L =0.157мкГн
Собственная емкость С =4.25пФ
Термо — э. д. с. Тэдс=1мкВ/0С
Температурный коэффициентстабильности ТКС=± (5¸30) 1051/0С
Конструктивные данные:
Габаритные размеры
Диаметр контактной пружины dпр=0.3мм
Длина контактной пружины lпр=25.8мм
Количество витков n =152
Диаметр проволоки d =0,12мм
Длина проволоки L =4266.3м
Шаг намотки tш =0,1мм
Высота каркаса a =10мм
Диаметр каркаса D =58мм
Условия эксплуатации:
Климатические УХЛ 4.2 ГОСТ15150-69
Механические 2ст. ж. ГОСТ16962-71
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. Температура нагрева резистораравна 16,50С, но так как резистор рассчитывался для 300С,то есть запас, который особо важен при долговременной эксплуатации.
В результате расчетов получилирезистор с большей разрешающей способностью.
Недостатком является наличиезначительных емкостей и индуктивностей, что ограничивает применение резисторовна высоких частотах.
Полученная конструкция оченьудобна при серийном производстве. Она проста и не требует очень сложногооборудования. Между тем конструкция надежна и долговечна. Подлежит ремонту изамене.
Стоимость конструкции не высокаи определяется стоимостью золота в токосъеме, бронзы, манганиновой проволоки ипресс порошка.
Перечень ссылок
1. М.Т. Железнов, Л.Г. Ширшев. Проволочныерезисторы. М. Энергия. 1970
2. В.Л. Соломахо и др. Справочникконструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы. Мн. Высшая школа.1988
3. А.К. Белоусов, В.С. Савченко. Электрическиеразъемные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. М. Энергия. 1975