Расчет шлейфа сигнализации с контролем по напряжению

Содержание:

 

1. Задание №1. (вариант 04)

 

Контрольный вопрос №9. Эффект Холла, датчики Холла и их характеристики.

 

Контрольный вопрос №29. Электромеханические  и гравитационные преобразователи и их конструкции.

 

2. Задание №2. Расчет шлейфа охранно-пожарной сигнализации с контролем по напряжению.

 

3. Список использованной  литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание №1. (вариант 04)

 

Контрольный вопрос №9. Эффект Холла, датчики Холла и их характеристики.

 

Холл открыл это  физическое явление в 1879 году. Первоначально  этот эффект применялся для изучения электропроводности металлов, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время датчики Холла используются для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов.

 

Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями зарядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила:

 

F = qvB,

 

где

q = 1,6·10⁹ Кл — величина заряда электрона,

v — его скорость,

В — магнитная индукция.

 

Выделенный шрифт указывает  на то, что F и В являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от пространственного расположения магнитного потока и направления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Ньютон/(ампер·метр) = 10⁴ Гаусс.

 

Предположим, что электроны  двигаются внутри электропроводной пластины, помещенной в магнитное поле В (рис. 1). На две стороны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пластины, они подсоединены к источнику электрического тока. Из-за действия внешнего магнитного поля возникает отклоняющая сила, смещающая электроны ближе к правому краю пластины, поэтому эта сторона становится более отрицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла V_н Знак и амплитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:

 

 

 

 

где

α — угол между вектором магнитного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 2),

h — полная чувствительность датчика, на значение которой влияют тип материала пластины, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электрический заряд.

 

Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, который определяется градиентом поперечного электрического потенциала на единицу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответствии с теорией свободных электронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения:

 

 

 

где

N — число свободных электронов в единице объема,

с — скорость света.

 

В зависимости от кристаллической  структуры материала заряды могут  быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому  и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным.

 

 

                                   А                                              Б

Рис. 2. А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода датчика Холла.

 

Линейный датчик Холла  обычно размещается в корпусе  с четырьмя выводами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними — сопротивлением управляющей цепи R. Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними — выходным дифференциальным сопротивлением R₀. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 3) можно представить в виде узлового соединения 4-х резисторов и двух источников напряжения, включенных последовательно с выходными выводами. Знак  на рис. 2 б и 3 указывает на то, что вектор В направлен от наблюдателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Эквивалентная схема  датчика Холла.

 

Датчик характеризуется  следующими параметрами: сопротивлением R_g , напряжением смещения  при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности.

 

Большинство датчиков Холла  изготавливаются из кремния, и их можно разделить на две основные категории: простые и интегрированные. Для построения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных датчиков, поскольку напряжение Холла обычно довольно мало. В таблице 1 приведены основные характеристики простого кремниевого линейного датчика Холла UGN-3605K.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Типовые характеристики линейного датчика Холла.

 

Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый детектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнитное поле ниже порогового значения, и единице — когда плотность магнитного потока становится значительной.

 

Поскольку кремний обладает пьезорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагируют на механические напряжения, поэтому необходимо минимизировать нагрузки на корпус датчика и на подводящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колебаниям температуры, приводят к изменению сопротивления сенсорных элементов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, изменения температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следовательно, и на ток в цепи управления.   

 

Поэтому предпочтительнее управляющие  выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения.

 

На рис. 4 А приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке p-типа с зоной n-типа, полученной методом ионной имплантации. Электрические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и формируют выходные выводы датчика. Элемент Холла представляет собой квадрат с углублением с четырьмя электродами, включенными по диагоналям (рис. 4 Б). На рис. 4 В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Поскольку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с хорошо проработанными методами расчета, они чаще всего используется на практике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. А и Б – кремниевый датчик Холла с n-зоной, В - его эквивалентная схема в виде резистивного моста.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольный вопрос №29. Электромеханические  и гравитационные преобразователи  и их конструкции.

 

Электромеханические преобразователи — это класс устройств, созданных для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Также возможно преобразование электрической энергии в электрическую же энергию другого рода.

 

Основные электромеханические  преобразователи:

 

Электрическая машина — это электромеханический преобразователь энергии, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Лоренца, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

 

Назначения:

 

-Преобразование энергии — основное назначение электрических машин в качестве двигателя или генератора.

-Преобразование переменного тока в постоянный (умформер).

-Преобразование величины напряжения.

-Усиление мощности электрических сигналов. В этом случае электрическая машина называется электромашинным усилителем.

-Повышение коэффициента мощности электрических установок. В этом случае электрическая машина называется синхронным компенсатором.

-Дистанционная передача информации (сельсин)

 

По назначению разделяют:

 

-генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую;

-двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую;

-преобразователи, преобразующие параметры (род тока, напряжение, частота, число фаз переменного тока) электрической энергии.

 

По действию разделяют:

 

-индуктивные;

-емкостные (изменение электрического поля).

 

 

 

 

Трансформатор — электрический аппарат, состоящий из набора индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе или без него и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем (системы) переменного тока.

 

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного  тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и  радиотехнике.

 

Конструктивно трансформатор  может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала (рис. 5).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Схематическое устройство трансформатора: 1 – первичная обмотка, 2 – вторичная обмотка.

 

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

 

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм).

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).

 

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий  по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный  поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

 

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

 

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (рис. 6.). Наиболее частым исполнением является такое исполнение, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор.

 

Якорь представляет собой  одну или несколько обмоток переменного  тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся  магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким  образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие  на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

 

Индуктор состоит из полюсов  — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Конструктивная схема  синхронной машины: 1 – якорь, 2 –  обмотка якоря, 3 – полюсы индуктора, 4 – обмотка возбуждения, 5 – кольца и щетки.

 

 

 

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

 

Асинхронная машина имеет  статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями (рис. 7.) являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

 

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.