Министерствонауки и образования Украины
Национальныйаэрокосмический университет
им.Н. Е. Жуковского ХАИ
Кафедрапроизводства РЭС
Курсоваяработа
подисциплине Элементная база ЭА
Проволочныйрезистор переменного сопротивления
проволочныйпотенциометр эквивалентный каркас
2007
Реферат
Данный курсовойпроект посвящен расчету проволочного однооборотного потенциометра переменного сопротивления,изменяющегося по показательному закону.
На основе исходногозадания будет произведен полный расчет проволочного потенциометра. Расчеты будутсопровождаться ссылками на используемую при расчете и проектировании литературу,а также справочную информацию и ГОСТы. Расчет охватывает все основные параметры,обеспечивая по возможности при этом оптимальные решения, позволяя использовать выбранныематериалы с наибольшей эффективностью. Расчет производится с точки зрения обеспечениязаданных технических требований и получения высоких электрических свойств проектируемогоустройства.
Цель данного курсовогопроекта разобраться в одной из методик, используемых при проектировании проволочногопотенциометра, развивая в конструкторе индивидуальное видение поставленной задачии самостоятельное решение этой задачи.
Реферат
Данийкурсовий проект присвячений розрахунку дротового однозворотного потенціометра змінногоопору згідно показникового закону.
На основівизначеного завдання буде зроблено повний розрахунок дротового потенціометра. Розрахункибудуть супроводжуватися посиланнями на використану при розрахунку та проектуваннілітературу, а також довідкову інформацію і ДСТи. Розрахунок охоплює всі основніпараметри, забеспечуючи по можливості при цьому оптимальні матеріали з найбільшоюефективністю. Розрахунок робиться з погляду забезпечення заданих технічних вимогі одержання високих електричних властивостей спроектованого пристрою.
Мета даногокурсового проекту – розібратися в одній з методик використаних при проектуваннідротового потенціометра, розвиваючи в конструкторі індивидуальне бачення поставленоїзадачі та самостійне рішення цієї задачі.
Содержание
Введение
1. Обзор и анализаналогичных конструкций
2. Расчет потенциометра
2.1. Расчетэквивалентного линейного потенциометра
2.2. Расчет профилякаркаса
3. Обоснование принятыхконструктивных решений и выбора применяемых материалов
4. Описание конструкциипо сборочному чертежу
Заключение
Источники
Введение
Потенциометрыприменяются в схемах вычислительных устройств, в системах автоматического следящегопривода и измерительных мостовых схемах.
В большинствеслучаев они служат в качестве датчиков угловых и линейных перемещений, преобразуяпоследние в соответствующие им по величине электрические напряжения, и включаютсяв цепь как делители напряжения.
Если подлежащиепреобразованию перемещения однозначны, т. е. направлены всегда в одну сторону, топрименяются обычные (нереверсивные) потенциометры; если же перемещения двузначны,то используют реверсивные потенциометры.
В измерительныхмостовых и некоторых других схемах потенциометры включаются в электрическую цепьпоследовательно. В этом случае они используются как реостаты и служат для преобразованияугловых или линейных перемещений в соответствующие изменения тока. Величина общегосопротивления обмотки потенциометра и его характеристика определяются электрическойсхемой, в которой он работает.
Потенциометрымогут применяться в цепях постоянного либо переменного тока низкой частоты.
Наряду с вращающимисятрансформаторами, тахогенераторами, элементами автоматической отработки электрическихвеличин, различного рода индикаторами и т. д. в автоматических устройствах и системахвычислительной техники широко применяются потенциометры. Они используются в автопилотах,автоштурманах, дистанционных компасах, электрических топливо- и расходомерах, дистанционныхтермометрах и других телеметрических устройствах, а также в радиолокационных станциях,в индикаторах кругового обзора.
Конструированиеи особенно производство потенциометров связано с большими трудностями, вытекающимииз предъявляемых к потенциометрам требований. В частности, они должны надежно работатьв тяжелых климатических и температурных условиях, при скоростях вращения, достигающихнесколько тысяч оборотов в минуту, с обязательным сохранением стабильности и высокойточности электрических характеристик.
1. Обзор ианализ аналогичных конструкций
Проволочные потенциометрыхарактеризуются следующими конструктивно – технологическими признаками: электрическиеи точностные характеристики, момент трогания, провод обмотки, каркасы, характеристикитокосъемного элемента, обмоточные данные.
Проволочные кольцевыеоднооборотные потенциометры получили наибольшее распространение из всех видов делителейнапряжения с переменным сопротивлением. К однооборотным потенциометрам также относятсяпластичные, дуговые, стержневые.
Есть два способакомпоновки конструкции однооборотных потенциометров. Потенциометр, применяемый врадиолокационной технике, представляет собой отдельный прибор с большим количествомдеталей, заключенный в один кожух с контактной группой. Потенциометры, используемыев гироскопических, навигационных и других приборах и автоматах, как правило, состоятиз двух конструктивных элементов: сопротивления и подвижного контакта.
По конфигурациикаркаса потенциометры разделяются на кольцевые, пластичные, дуговые и стержневые.Каркасы могут иметь круглую, прямоугольную, овальную, эллиптическую и другие формыпоперечного сечения. Каждый из указанных видов потенциометров можно еще раз разделитьна одинарные, двойные и тройные.
Наиболее распространеныпотенциометры с поступательным перемещением движка, кольцевые с ограниченно – круговымперемещением, кольцевые и плоские с неограниченно – круговым перемещением движка.К первой группе относятся потенциометры, сопротивление которых намотано на каркаспрямоугольного сечения. Движок такого потенциометра перемещается по ребру каркасас обмоткой, зачищенной от эмали.
Вторую группусоставляют потенциометры, конструкция сопротивления которых принципиально не отличаетсяот первой группы. Каркас прямоугольного сечения из листового изоляционного материалаизогнут в кольцо и смонтирован в корпусе (рис. 2.1.). Движок скользит по верхнемуребру от упора до упора на определенный угол (до 330°).
/>
Рис. 2.1. Обмоткакольцевого потенциометра с неограниченно-круговым вращением движка.
Из всего многообразиярезисторов переменного сопротивления линейные занимают 92% всего выпускаемого объема,а функциональные занимают лишь 8%.
При проектированиинеобходимо учитывать электрические и точностные характеристики. К ним относят: электрическоесопротивление (от 1 Ом до 50 кОм), допуск (от 1% до 10%), точность воспроизведенияфункции, ток питания (практически все потенциометры питаются постоянным током).Из высокоточных потенциометров наиболее часто встречаются однооборотные кольцевыепотенциометры, реже ленточные и пластинчатые. Возьмем в качестве примера потенциометрфирмы Spectrol (рис. 2.3). Он имеет диаметр 33.33 мм, сопротивление от 10 Омдо 30 кОм, допуск ±3%, точность линейной характеристики ±0.5%, номинальную мощностьрассеивания 2 Вт, весит всего 28 г, и может работать в интервале температур – 55до +85°С.
/>
Рис 2.3. Стандартныйоднооборотный потенциометр (фирмы Spectrol).
Большинство потенциометров,подобных этому содержит точные шарикоподшипники, контактные кольца, клеммы, изготовленныеиз благородных металлов. Основные соединения осуществляются сваркой.
Среди множествапотенциометров можно выделить такие классы как подстроечные и регулировочные резисторы.Отличаются они тем, что регулировочные резисторы рассчитаны на то, что в процессеэксплуатации сопротивление будет меняться оператором в зависимости от надобности,а подстроечные предусматривает разовое или периодическое изменение сопротивления.Рассмотрим подробнее подстроечные резисторы.
Подстроечные резисторы:
1. Прямоугольные.
Резисторы многооборотныес прямоугольным перемещением подвижной контактной системы, производимым микрометрическимвинтом. Изменение сопротивления от минимального до максимального значения производитсяза 45 полных оборотов для резисторов СП5 – 1В, СП5 – 1В1, СП5 – 4В, СП5 – 4В1 иза 60 оборотов для резисторов СП5 – 22, СП5 – 24, СП5 – 14, СП5 – 15. Резисторыпредназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока частотой 1000 Гци до 10000 Гц.
2. Цилиндрические.
Резисторы подстроечныецилиндрические одинарные однооборотные с круглым перемещением подвижной контактнойсистемы, предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменногои импульсного тока.
3. Квадратные.
Резисторы подстроечныемногооборотные с круговым перемещением подвижной контактной системы. Изменение сопротивленияот минимального до максимального значения производится за 40 полных оборотов. Резисторыпредназначены для работы в цепях постоянного тока.
Регулировочныерезисторы ( СП5– 35, СП5– 40А) предназначены для работы в цепях постоянного и переменноготока. Конструкция резисторов построена по груботочной схеме, имеет два резистивныхэлемента, при этом подвижные системы управляются от одного вала. СП5 – 39, СП5 –44 – резисторы регулировочные десятиоборотные со спиральными резистивными элементами,предназначенными для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока.
2. Расчетпотенциометра
Расчет функциональногопотенциометра состоит из двух частей:
1. Расчетэквивалентного линейного потенциометра.
2. Расчетпрофиля каркаса.
Основные величины,характеризующие потенциометр:
· R0– общее сопротивление вОм;
· l0(α0) – рабочая длина каркаса или рабочий угол поворота движка потенциометра(максимальное перемещение движка) в мм или град.;
· D0– средний расчетный диаметр каркаса в мм;
· Н – высотакаркаса линейного потенциометра в мм;
· b –ширина или толщина каркаса в мм;
· d –диаметр провода обмотки без изоляции в мм;
· dи – диаметр провода обмотки с изоляцией в мм;
· ρ– удельное сопротивление материала провода в Ом*мм2/м;
· t –шаг намотки, т. е. расстояние между серединами двух соседних витков в мм;
· n – число витков обмотки.
/>/>
/>;
/>
2.1. Расчетэквивалентного линейного потенциометра
Линейный потенциометрхарактеризуется следующими основными величинами: конструктивными –
· D0= 40 мм;
· α0= 310 град.;
схемными, илиэлектрическими –
· R0= 470 Ом;
· ρ= 0.0005 Ом*мм2/м;
· d =0.19 мм;
· dи = 0.201 мм,
которые черезпромежуточные величины –
· l0= 108 мм;
· t =0.216 мм;
· n =500;
· δр= 0.2 %,
связаны следующимизависимостями:
/>
Сопротивлениеодного витка определяют по формуле:
/>
Плотность тока:
J = 7 А/мм2.
/>
Диаметр проводарассчитывается по формуле
/>
Погонное сопротивлениепровода рассчитывается по формуле:
/> Ом/мм, где
/>мм
Высота каркасапотенциометра рассчитывается по формуле:
/>мм
Проверка:
/>мм
/>мм
/>мм
/>
2.2 Расчетпрофиля каркаса
Расчет функциональногопотенциометра целесообразно разбить на две части.
1. Расчет эквивалентногопотенциометра, имеющего такие же, как у проектируемого функционального, основныевеличины D, α0, b, R, ρ, d, δp.
В результатеэтого расчета найдем величину Н, т. е. высоту каркаса эквивалентного линейного потенциометра.
2. Расчет профилякаркаса. Рассмотрим расчет функционального потенциометра с плоским профильным каркасом.Закон изменения сопротивления этого потенциометра должен соответствовать заданнойфункциональной зависимости. Соответствие определяется формой выреза каркаса, т.е. его профилем.
Путь, который проходит скользящийдвижок от начала обмотки:
/>
где D0– средний расчетный диаметркаркаса;
φ – полныйугол поворота оси с движком.
При перемещениидвижка на расстояние ∆lх сопротивление потенциометраизменится на величину ∆R. Для значений ∆lхможно написать
/>,
или при перемещениидвижка на один виток
/>.
Разделив полученноезначение ∆Rна удельное сопротивление провода ρ, получимдлину одного витка
/>.
Та же длина виткаможет быть выражена через геометрические размеры каркаса по формуле
lв = 2 (H+b).
Приравняв полученныедвумя методами выражения длины витка найдем:
/>= 2(H+b),
откуда высотакаркаса
/>.
Если для кольцевогокаркаса dlхзаменить на />,то выражение примет вид
/>.
Так как функциязадается в виде /> и непосредственноиз нее получить производную /> нельзя,то целесообразно /> представить в виде
/>.
Производную /> можно определить из уравнения
/>,
откуда />/>.
Производную /> можно найти непосредственноиз уравнения заданной функции, и, наконец, /> вбольшинстве случаев является величиной постоянной, т. е.
/>.
Таким образом,
/>.
После подстановкиполученного выражения в формулу получим
/>.
В целях упрощенияформулы введем обозначение
/>,
тогда получим
/> - b.
При малой толщинекаркаса для предварительных расчетов часто пользуются упрощенной формулой
/>.
Учитывая техническоезадание, показательный закон изменения сопротивления имеет вид:
/>,
следовательно
/>/>.
/>
Рис. 3.1.Общий вид профиля каркаса
/>
Рис. 3.2. Рабочийпрофиль каркаса
3.Обоснование принятых решений
При разработкепотенциометров наряду с созданием оптимальной конструкции необходимо рациональновыбирать материалы для резистивного элемента и электроизоляционных покрытий, дляконтактов, корпусов, каркасов, осей, элементов крепления и т. д. Выбор проволокидля обмотки потенциометров зависит от предъявляемых к ним требований, поэтому дляее изготовления применяется большое количество различных сплавов, главным образом:константан (сплав меди и никеля), нихром (сплав на хромоникелевой основе). Материалпроволоки для обмотки потенциометров должен иметь высокое удельное сопротивление,малый ТКС, стабильные свойства во времени, большую коррозионную стойкость, высокоекачество изоляции, большую прочность на разрыв и малое относительное удлинение прирастяжении.
Константановаяпроволока( ГОСТ 5307 – 50) изготавливается из сплава марки НМц 40 -1.5 и может бытьмягкой (М) и твердой (Т). Константан имеет удельное сопротивление (0.5 Ом мм2/м)и ТКС (-0.000005 град.-1)меньше, чем нихромовая проволока. Нихром – хромо – никелевая проволока, как константановая,может быть либо твердой (неотоженной), либо мягкой (отоженной). Нихром имеет гораздобольшее удельное сопротивление, чем константан, однако ТКС у этого сплава велик(-0.00013 град.-1), поэтому для намоткивысокоточных потенциометров применять проволоку из нихрома не рекомендуется. Повыше указанным причинам материал в качестве намотки был выбран именно константан.
Сейчаспроволока для обмотки потенциометров, работающих в ответственных схемах, как правило,имеет изоляцию винифлекс или металвин. Для остальных потенциометров применяют проволокус обычной эмалевой изоляцией.
Учитывая рассчитанноеколичество витков и коэффициент запаса равный 2, отклонение от закона изменениясоставляет 1.6%, что в полной мере удовлетворяет условиям проекта.
Для изготовлениякаркасов потенциометров применяют различные материалы. Критерием для выбора материалаявляются его диэлектрические, антикоррозионные и оптимальные свойства. Чаще всегодля их изготовления применяют диэлектрики (текстолит, гетинакс, керамика). Такиеслоистые структуры как текстолит представляют собой довольно прочные конструкционныематериалы, изготавливающиеся из тканей и связующих резальных смол. В качестве материаловдля каркаса может выступать и алюминиевые сплавы, однако при своем высоком модулеупругости, они не способны поглощать вибрацию, в то время как слоистые структурыс этой задачей хорошо справляются. В данном курсовом проекте использовался материалтекстолит Б. Он содержит в себе хлопчатобумажные ткани, пропитанные термореактивнымисмолами (44-54%). Текстолит Б обладает повышенной механической прочностью, но небольшойвлагопоглощаемостью (2%). Материал обладает удельным объемным сопротивлением 1010Ом*см3, температура размягчения – 120° С.
Исходяиз этого необходимо ограничить сферу применения разработанного потенциометра. Дляего безотказной работы нельзя использовать потенциометр в схемах, работающих в условияхповышенной влажности (тропики) или высокой температуры (пустынная область, экватор),также крайне не рекомендуется применять его в морской корабельной или буйковой РЭА.Данный потенциометр предназначен для использования в РЭА, не предназначенной длявысокоточной работы, в умеренном климатическом поясе не выше 3500 м над уровнемморя.
4. Описаниеконструкции по сборочному чертежу
В даннойработе описаны конструкции разновидности потенциометров. Однооборотный проволочныйпотенциометр, как устройство, представляет собой резестивный элемент из проволокималого диаметре с высоким омическим сопротивлением, намотанный в один ряд на изолированныйкаркас.
В графическойчасти представлен сборочный чертеж СБ и отдельные элементы потенциометра: каркасс обмоткой (1), корпус (2), ползунок (3), ось(4), винты крепления выводов обмотки(5), скоба (6), стопор (7), шайба (8).
На каркас(1) накладывается обмотка потенциометра состоящая из проволоки( материал – платина-никель).Крепление каркаса к корпусу осуществляется тремя винтами (5). На поверхности потенциометранаходится подвижная часть – ползунок (3), движение которого ограничивается стопором(7). Стопор фиксируется на корпусе посредством клейки и скобы (6). Ползунок (3)фиксируется на оси винтом. В корпус (2) вставляется скоба (6), закрепленная в своюочередь посредством одного винта (5).
Конструкциякрепится в корпус прибора посредством гайки.
Заключение
В ходеданного курсового проекта был спроектирован и расчитан проволочный однооборотныйпотенциометр. Проектирование осуществлялось таким образом, чтобы потенциометр соответствовалзаданным параметрам и удовлетворял предлагаемым требованиям. При проектированииконструкции данного проволочного потенциометра основной упор делали на упрощениеконструкции изделия, что должно приводить к его удешевленю. Основным из методов,при помощи которого это достигалось, было использование стандартных изделий.
Каркасбыл спроектирован таким образом, чтобы реализовать показательный закон изменениявеличины сопротивления, который предоставлен в задании.
I = U/R = 100 B/ 470 Ом = 0.213 А
P = I2*R = 0.2132А * 470Ом = 21.323 Вт
Списокиспользованной литературы
1. Белевцев А. Т. «Потенциометры»,Машиностроение, Москва 1969 г.
2. Волков В. А. «Детали иузлы радиоэлектронной аппаратуры», «Энергия» Москва 1967 г.
3. Фирсов В. В., ДолженковН. В. «Устройство функциональной электроники и ЭРЭ», ХАИ 1986 г.
4. Романычева А. К. «Разработкаи оформление конструкторской документации РЭА», справочное пособие, Радио и связь,1984 г.