Скачать

Проволочный резистор переменного сопротивления

Потенциометры применяются в схемах вычислительных устройств, в системах автоматического следящего привода и измерительных мостовых схемах.

В большинстве случаев они служат в качестве датчиков угловых и линейных перемещений, преобразуя последние в соответствующие им по величине электрические напряжения, и включаются в цепь как делители напряжения.

Если подлежащие преобразованию перемещения однозначны, т. е. направлены всегда в одну сторону, то применяются обычные (нереверсивные) потенциометры; если же перемещения двузначны, то используют реверсивные потенциометры.

В измерительных мостовых и некоторых других схемах потенциометры включаются в электрическую цепь последовательно. В этом случае они используются как реостаты и служат для преобразования угловых или линейных перемещений в соответствующие изменения тока. Величина общего сопротивления обмотки потенциометра и его характеристика определяются электрической схемой, в которой он работает.

Потенциометры могут применяться в цепях постоянного либо переменного тока низкой частоты.

Наряду с вращающимися трансформаторами, тахогенераторами, элементами автоматической отработки электрических величин, различного рода индикаторами и т. д. в автоматических устройствах и системах вычислительной техники широко применяются потенциометры. Они используются в автопилотах, автоштурманах, дистанционных компасах, электрических топливо- и расходомерах, дистанционных термометрах и других телеметрических устройствах, а также в радиолокационных станциях, в индикаторах кругового обзора.

Конструирование и особенно производство потенциометров связано с большими трудностями, вытекающими из предъявляемых к потенциометрам требований. В частности, они должны надежно работать в тяжелых климатических и температурных условиях, при скоростях вращения, достигающих несколько тысяч оборотов в минуту, с обязательным сохранением стабильности и высокой точности электрических характеристик.

1. Обзор и анализ аналогичных конструкций

Проволочные потенциометры характеризуются следующими конструктивно – технологическими признаками: электрические и точностные характеристики, момент трогания, провод обмотки, каркасы, характеристики токосъемного элемента, обмоточные данные.

Проволочные кольцевые однооборотные потенциометры получили наибольшее распространение из всех видов делителей напряжения с переменным сопротивлением. К однооборотным потенциометрам также относятся пластичные, дуговые, стержневые.

Есть два способа компоновки конструкции однооборотных потенциометров. Потенциометр, применяемый в радиолокационной технике, представляет собой отдельный прибор с большим количеством деталей, заключенный в один кожух с контактной группой. Потенциометры, используемые в гироскопических, навигационных и других приборах и автоматах, как правило, состоят из двух конструктивных элементов: сопротивления и подвижного контакта.

По конфигурации каркаса потенциометры разделяются на кольцевые, пластичные, дуговые и стержневые. Каркасы могут иметь круглую, прямоугольную, овальную, эллиптическую и другие формы поперечного сечения. Каждый из указанных видов потенциометров можно еще раз разделить на одинарные, двойные и тройные.

Наиболее распространены потенциометры с поступательным перемещением движка, кольцевые с ограниченно – круговым перемещением, кольцевые и плоские с неограниченно – круговым перемещением движка. К первой группе относятся потенциометры, сопротивление которых намотано на каркас прямоугольного сечения. Движок такого потенциометра перемещается по ребру каркаса с обмоткой, зачищенной от эмали.

Вторую группу составляют потенциометры, конструкция сопротивления которых принципиально не отличается от первой группы. Каркас прямоугольного сечения из листового изоляционного материала изогнут в кольцо и смонтирован в корпусе (рис. 2.1.). Движок скользит по верхнему ребру от упора до упора на определенный угол (до 330°).

Рис. 2.1. Обмотка кольцевого потенциометра с неограниченно-круговым вращением движка.

Из всего многообразия резисторов переменного сопротивления линейные занимают 92% всего выпускаемого объема, а функциональные занимают лишь 8%.

При проектировании необходимо учитывать электрические и точностные характеристики. К ним относят: электрическое сопротивление (от 1 Ом до 50 кОм), допуск (от 1% до 10%), точность воспроизведения функции, ток питания (практически все потенциометры питаются постоянным током). Из высокоточных потенциометров наиболее часто встречаются однооборотные кольцевые потенциометры, реже ленточные и пластинчатые. Возьмем в качестве примера потенциометр фирмы Spectrol (рис. 2.3). Он имеет диаметр 33.33 мм, сопротивление от 10 Ом до 30 кОм, допуск ±3%, точность линейной характеристики ±0.5%, номинальную мощность рассеивания 2 Вт, весит всего 28 г, и может работать в интервале температур – 55 до +85°С.

Рис 2.3. Стандартный однооборотный потенциометр (фирмы Spectrol).

Большинство потенциометров, подобных этому содержит точные шарикоподшипники, контактные кольца, клеммы, изготовленные из благородных металлов. Основные соединения осуществляются сваркой.

Среди множества потенциометров можно выделить такие классы как подстроечные и регулировочные резисторы. Отличаются они тем, что регулировочные резисторы рассчитаны на то, что в процессе эксплуатации 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 многооборотные с прямоугольным перемещением подвижной контактной системы, производимым микрометрическим винтом. Изменение сопротивления от минимального до максимального значения производится за 45 полных оборотов для резисторов СП5 – 1В, СП5 – 1В1, СП5 – 4В, СП5 – 4В1 и за 60 оборотов для резисторов СП5 – 22, СП5 – 24, СП5 – 14, СП5 – 15. Резисторы предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока частотой 1000 Гц и до 10000 Гц.

2. Цилиндрические.

Резисторы подстроечные цилиндрические одинарные однооборотные с круглым перемещением подвижной контактной системы, предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

3. Квадратные.

Резисторы подстроечные многооборотные с круговым перемещением подвижной контактной системы. Изменение сопротивления от минимального до максимального значения производится за 40 полных оборотов. Резисторы предназначены для работы в цепях постоянного тока.

Регулировочные резисторы ( СП5– 35, СП5– 40А) предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока. Конструкция резисторов построена по груботочной схеме, имеет два резистивных элемента, 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. Расчет потенциометра

Расчет функционального потенциометра состоит из двух частей:

1. Расчет эквивалентного линейного потенциометра.

2. Расчет профиля каркаса.

Основные величины, характеризующие потенциометр:

· R₀ – общее сопротивление в Ом;

· 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 – высота каркаса линейного потенциометра в мм;

· b – ширина или толщина каркаса в мм;

· d – диаметр провода обмотки без изоляции в мм;

· d_и – 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. Расчет эквивалентного линейного потенциометра

Линейный потенциометр характеризуется следующими основными величинами: конструктивными –

· D₀ = 40 мм;

· α₀ = 310 град.;

схемными, или электрическими –

· R₀ = 470 Ом;

· ρ = 0.0005 Ом*мм²/м;

· d = 0.19 мм;

· d_и = 0.201 мм,

которые через промежуточные величины –

· l₀ = 108 мм;

· t = 0.216 мм;

· n = 500;

· δ_р = 0.2 %,

связаны следующими зависимостями:

Сопротивление одного витка определяют по формуле:

Плотность тока:

J = 7 А/мм².

Диаметр провода рассчитывается по формуле

Погонное сопротивление провода рассчитывается по формуле:

 Ом/мм , где

мм

Высота каркаса потенциометра рассчитывается по формуле:

мм

Проверка:

мм

мм

мм

2.2 Расчет профиля каркаса

Расчет функционального потенциометра целесообразно разбить на две части.

1. Расчет эквивалентного потенциометра, имеющего такие же, как у проектируемого функционального, основные величины D₀, α₀, , R₀, ρ, d, δ_p.

В результате этого расчета найдем величину Н, т. е. высоту каркаса эквивалентного линейного потенциометра.

2. Расчет профиля каркаса. Рассмотрим расчет функционального потенциометра с плоским профильным каркасом. Закон изменения сопротивления этого потенциометра должен соответствовать заданной функциональной зависимости. Соответствие определяется формой выреза каркаса, т. е. его профилем.

Путь, который проходит скользящий движок от начала обмотки:

где D₀ – средний расчетный диаметр каркаса;

φ – полный угол поворота оси с движком.

При перемещении движка на расстояние ∆l_х сопротивление потенциометра изменится на величину ∆R. Для значений ∆l_хможно написать

,

или при перемещении движка на один виток

.

Разделив полученное значение ∆Rна удельное сопротивление провода ρ, получим длину одного витка

.

Та же длина витка может быть выражена через геометрические размеры каркаса по формуле

l_в = 2 (H+b).

Приравняв полученные двумя методами выражения длины витка найдем:

= 2(H+b),

откуда высота каркаса

.

Если для кольцевого каркаса dl_хзаменить на , то выражение примет вид

.

Так как функция задается в виде  и непосредственно из нее получить производную  нельзя, то целесообразно  представить в виде

.

Производную  можно определить из уравнения

,

откуда .

Производную  можно найти непосредственно из уравнения заданной функции, и, наконец,  в большинстве случаев является величиной постоянной, т. е.

.

Таким образом,

.

После подстановки полученного выражения в формулу получим

.

В целях упрощения формулы введем обозначение

,

тогда получим

 - b.

При малой толщине каркаса для предварительных расчетов часто пользуются упрощенной формулой

.

Учитывая техническое задание, показательный закон изменения сопротивления имеет вид:

,

следовательно

.

Рис. 3.1. Общий вид профиля каркаса

Рис. 3.2. Рабочий профиль каркаса

3. Обоснование принятых решений

При разработке потенциометров наряду с созданием оптимальной конструкции необходимо рационально выбирать материалы для резистивного элемента и электроизоляционных покрытий, для контактов, корпусов, каркасов, осей, элементов крепления и т. д. Выбор проволоки для обмотки потенциометров зависит от предъявляемых к ним требований, поэтому для ее изготовления применяется большое количество различных сплавов, главным образом: константан (сплав меди и никеля), нихром (сплав на хромоникелевой основе). Материал проволоки для обмотки потенциометров должен иметь высокое удельное сопротивление, малый ТКС, стабильные свойства во времени, большую коррозионную стойкость, высокое качество изоляции, большую прочность на разрыв и малое относительное удлинение при растяжении.

Константановая проволока( ГОСТ 5307 – 50) изготавливается из сплава марки НМц 40 -1.5 и может быть мягкой (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 гораздо большее удельное сопротивление, чем константан, однако ТКС у этого сплава велик (-0.00013 град.^-1), поэтому для намотки высокоточных потенциометров применять проволоку из нихрома не рекомендуется. По выше указанным причинам материал в качестве намотки был выбран именно константан.

Сейчас проволока для обмотки потенциометров, работающих в ответственных схемах, как правило, имеет изоляцию винифлекс или металвин. Для остальных потенциометров применяют проволоку с обычной эмалевой изоляцией.

Учитывая рассчитанное количество витков и коэффициент запаса равный 2, отклонение от закона изменения составляет 1.6%, что в полной мере удовлетворяет условиям проекта.

Для изготовления каркасов потенциометров применяют различные материалы. Критерием для выбора материала являются его диэлектрические, антикоррозионные и оптимальные свойства. Чаще всего для их изготовления применяют диэлектрики (текстолит, гетинакс, керамика). Такие слоистые структуры как текстолит представляют собой довольно прочные конструкционные материалы, изготавливающиеся из тканей и связующих резальных смол. В качестве материалов для каркаса может выступать и алюминиевые сплавы, однако при своем высоком модуле упругости, они не способны поглощать вибрацию, в то время как слоистые структуры с этой задачей хорошо справляются. В данном курсовом проекте использовался материал текстолит Б. Он содержит в себе хлопчатобумажные ткани, пропитанные термореактивными смолами (44-54%). Текстолит Б обладает повышенной механической прочностью, но небольшой влагопоглощаемостью (2%). Материал обладает удельным объемным сопротивлением 10¹⁰ Ом*см³, температура размягчения – 120° С.

Исходя из этого необходимо ограничить сферу применения разработанного потенциометра. Для его безотказной работы нельзя использовать потенциометр в схемах, работающих в условиях повышенной 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 для высокоточной работы, в умеренном климатическом поясе не выше 3500 м над уровнем моря.

4. Описание конструкции по сборочному чертежу

В данной работе описаны конструкции разновидности потенциометров. Однооборотный проволочный потенциометр, как устройство, представляет собой резестивный элемент из проволоки малого диаметре с высоким омическим сопротивлением, намотанный в один ряд на изолированный каркас.

В графической части представлен сборочный чертеж СБ и отдельные элементы потенциометра: каркас с 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 потенциометра находится 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 свою очередь посредством одного винта (5).

Конструкция крепится в корпус прибора посредством гайки.

Заключение

В ходе данного курсового проекта был спроектирован и расчитан проволочный однооборотный потенциометр. Проектирование осуществлялось таким образом, чтобы потенциометр соответствовал заданным параметрам и удовлетворял предлагаемым требованиям. При проектировании конструкции данного проволочного потенциометра основной упор делали на упрощение конструкции изделия, что должно приводить к его удешевленю. Основным из методов, при помощи которого это достигалось, было использование стандартных изделий.

Каркас был спроектирован таким образом, чтобы реализовать показательный закон изменения величины сопротивления, который предоставлен в задании.

I = U/R = 100 B/ 470 Ом = 0.213 А

P = I²*R = 0.213²А * 470 Ом = 21.323 Вт

Список использованной литературы

1. Белевцев А. Т. «Потенциометры», Машиностроение, Москва 1969 г.

2. Волков В. А. «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры», «Энергия» Москва 1967 г.

3. Фирсов В. В., Долженков Н. В. «Устройство функциональной электроники и ЭРЭ», ХАИ 1986 г.

4. Романычева А. К. «Разработка и оформление конструкторской документации РЭА», справочное пособие, Радио и связь, 1984 г.