Проектирование потенциометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Объект исследования: проволочный однооборотный потенциометр переменного сопротивления, который изменяется по показательному закону.

Цель работы: спроектировать потенциометр с заданными параметрами максимального сопротивления R0 = 2700 Ом, разрешающей способностью равная 0,4 %, произвести полный расчет проволочного потенциометра. Определить основные параметры конструкции, выбрать материалы конструкции, оформить графическую часть проекта.

Средства проектирования: аналитический расчет проектируемого потенциометра в программной среде Mathcad; графическое моделирование в программной среде Compas.

Полученные результаты: спроектированный потенциометр с посчитанными параметрами, чертежи составных частей потенциометра.

ОДНООБОРОТНЫЙ, ЭЛЕМЕНТ, ПОТЕНЦИОМЕТР, ПАССИВНЫЙ, РЕЗИСТОР, СОПРОТИВЛЕНИЕ, НАПРЯЖЕНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ.



ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной автоматики, приборостроения и вычислительной техники требует повышенного внимания к элементам, на основе которых создаются эти устройства.

Наряду с вращающимися трансформаторами, 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, дистанционных термометрах и других телеметрических устройствах, а также в радиолокационных станциях, в индикаторах кругового обзора и целом ряде различных приборов и устройств.

Потенциометры применяются в схемах аналоговых вычислительных устройств, в системах автоматического следящего привода и измерительных мостовых схемах. В большинстве случаев они служат в качестве датчиков угловых и линейных перемещений.

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.

С помощью потенциометра, сопротивление которого распределено по некоторому закону, можно не только преобразовывать механическую величину в электрическую, но и реализовать требуемую функциональную связь между этими величинами.

Наиболее широкое применение в электрических вычислительных устройствах нашли потенциометрические элементы.

С их помощью можно выполнить практически все операции, которые должны быть проделаны вычислительным устройством, а также осуществить большинство следящих дистанционных передач.



1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Конструктивно простейший потенциометр представляет собой электрический проводник (резистивный элемент) с достаточно большим омическим сопротивлением, по которому скользит подвижный контакт, включающий в электрическую цепь любую часть заданного напряжения.

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

Потенциометры характеризуются такими параметрами:

величиной омического сопротивления резистивного элемента;

геометрическими размерами;

законом изменения сопротивления и линейностью характеристики;

допуском на общее сопротивление;

стабильностью сопротивления и режима работы;

сопротивлением изоляции обмотки относительно корпуса;

максимальной рабочей мощностью рассеяния;

величиной рабочего вращающего момента;

сроком службы при заданных условиях.

Общее омическое сопротивление наиболее распространенных проволочных потенциометров зависит от их габаритных размеров, марки и диаметра проволоки. Подстроечные потенциометры имеют сопротивление от 5 до 20000 Ом, потенциометры повышенной точности - от 500 до 50000 Ом. Общее сопротивление многооборотных проволочных потенциометров достигает 500000 Ом. Минимальное общее сопротивление однооборотных проволочных потенциометров составляет 1 Ом.

Закон изменения сопротивления. При перемещении токосъемного движка по резистивному элементу потенциометра в зависимости от его конструкции функциональная зависимость изменяется по какому-либо закону: линейному, логарифмическому, синусно-косинусному и т. д., т. е. потенциометр, как говорят, отрабатывает заданную функцию.

Линейность. В идеальном случае линейный потенциометр должен обладать постоянной величиной изменения выходного напряжения при равных угловых (или линейных) перемещениях движка. В действительности этого никогда не происходит, т. е. равные по величине перемещения движка вызывают неодинаковые приращения выходного напряжения (сопротивления).

Допуск на общее сопротивление. Потенциометры различного назначения изготовляют с определенной точностью по общему омическому сопротивлению. Для потенциометров широкого применения эта точность составляет 5-19 % от номинального значения сопротивления, а для потенциометров повышенной точности 0.1-1 %.

Стабильность. Сопротивление потенциометра в течении всего срока службы и режим его работы при нормальной нагрузке не должны существенно изменяться. Этим и определяется стабильность.

Мощность рассеяния. Максимальная рабочая мощность рассеяния зависит от допустимого нагрева обмотки потенциометра. Номинальная мощность рассеяния потенциометра лежит в пределах от 0,1 до 10 Вт.

Срок службы. Срок службы зависит от свойств материалов резистивного элемента и токосъемного элемента движка, контактного давления, условий эксплуатации и других факторов.

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

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. 1.1.). Движок скользит по верхнему ребру от упора до упора на определенный угол (до 330°). К третьей группе относятся потенциометры, сопротивление которых намотано на каркас кольцевой формы (рис. 1.2.).

Рисунок 1.1 - Кольцевой потенциометр с ограничено-круговым вращением движка

Рисунок 1.2 - Обмотка кольцевого потенциометра с неограниченно - круговым вращение движка



Каркасы таких потенциометров изготовляются из пластмассы или из алюминиевых сплавов с последующим изолированием. Движок может перемещаться на любой угол.

К электрическим и точностным характеристикам потенциометров относятся: общее сопротивление (лежит в диапазоне от 1 до 50000 Ом), допуск на общее сопротивление (от 1 до 5 - 10%), точность воспроизведения функции (от 1 до 0.05%), ток питания (около 93% потенциометров питаются от источников постоянного тока, остальные - переменного).

Из высокоточных потенциометров, выпускаемых зарубежными фирмами, наиболее распространены однооборотные пластинчатые, ленточные и особенно кольцевые потенциометры. Эти потенциометры имеют повышенную точность в результате улучшения технологии изготовления деталей, корректировочных устройств, а также намотки сопротивления на специальных намоточных станках с автоматической коррекцией по линейности. Стандартный однооборотный потенциометр изображен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Стандартный однооборотный потенциометр

Проволочные резисторы являются одним из первых типов резисторов, использовавшихся в различных схемах управления регулирования и защиты электротехнических устройств. Для силовых проволочных резисторов характерны следующие особенности, обеспечившие им довольно широкое применение в электротехнике и энергетике:

возможность изготовления резистора с малым допускаемым отклонением сопротивления от номинального сопротивления;

высокая стабильность параметров при воздействии различных внешних факторов (температуры влажности и т.п.);

малое значение ТКС;

высокая термостойкость и перегрузочная способность.

Все эти положительные особенности проволочных резисторов обеспечивают им широкое использование в аппаратуре, к которой предъявляются повышенные требования по точности и стабильности электрических и эксплуатационных параметров, а также в различных системах автоматического управления и регулирования, в электрооборудовании транспорта и измерительной технике. При всей простоте конструкций и технологии изготовления проволочные резисторы имеют ряд недостатков; сравнительно высокую стоимость значительную индуктивность и емкость, большие габаритные размеры в связи с технологическими трудностями получения тонких длинных проводов из различных металлов и сплавов.



2. РАСЧЕТ ПРОВОЛОЧНОГО ОДНООБОРОТНОГО ПОТЕНЦИОМЕТРА

Расчет функционального потенциометра целесообразно разбить на две части:

а) расчет эквивалентного потенциометра имеющего такие же, как у проектируемого функционального, основные величины . В результате этого расчета найдем величину Н, т. е. высоту каркаса эквивалентного линейного потенциометра;

б) 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.

2.1 Расчет эквивалентного линейного потенциометра

Проволочный потенциометр характеризуется следующими основными величинами:

- общее сопротивление в Ом;

- рабочая длина обмотки или рабочий угол поворота движка потенциометра (максимальное перемещение движка) в мм или градусах;

- средний расчетный диаметр каркаса в мм;

- высота каркаса линейного потенциометра в мм;

- ширина или толщина каркаса в мм;

- диаметр проволоки обмотки без изоляции в мм;

- диаметр проволоки обмотки c изоляции в мм;

- удельное сопротивление материала провода в Ом•мм2/м;

- шаг намотки, т. е. расстояние между серединами двух соседних витков, в мм;

- число витков обмотки.

Так как нам известна разрешающая способность, то найдем число витков обмотки по формуле:

,(2.1)

где - разрешающая способность, равная 0,4 %,

Число витков обмотки (n), равно 250.

Чтобы обеспечить стабильную работу потенциометра, при выборе диаметра и марки проволоки, кроме размеров и общего сопротивления, необходимо знать также его тепловой режим. Плотность тока не должна превышать 10 А/мм2. Поэтому с учетом запаса при расчете выбрали плотность тока равную 1 А/мм2.

Диаметр проволоки обмотки без изоляции определяется по формуле:

,(2.2)

где P - мощность рассеяния в Вт, определяется по формуле:

= = 0,93 Вт,

- рабочее напряжение;

- общее сопротивление в Ом;

- плотность тока 1 А/мм2.

Диаметр проволоки обмотки без изоляции d = 0,154 мм.

Линейный потенциометр характеризуют конструктивные величины и схемные, или электрические, которые через промежуточные величины связаны следующими зависимостями:

,(2.3)

- диаметр проволоки обмотки c изоляцией равный 0,2 мм;

Рабочая длина обмотки равная 54 мм.

Шаг намотки можно найти:

(2.4)

откуда t = 0,215 мм.

Длину витка определяют по (2.1.5):

. (2.5)

При этом исходят из того, что на каркасе выполнено закругление радиусом . Однако вследствие малой толщины каркаса(1-3 мм) нельзя рассчитывать на точное выполнение закруглений и плотное прилегание проволоки обмотки на них. Поэтому формула (2.5) дает несколько заниженную длину витка. Для расчетов воспользуемся следующей формулой:



(2.6)

Выбираем удельное сопротивление материала нихром с=1,1*10-6 Ом•м и получаем результат для длины витка мм.

Определим сопротивление одного витка, зная общее сопротивление и число витков обмотки, по формуле:

. (2.7)

И получим такой результат =10,8 Ом.

Определим высоту каркаса по (2.8).

, (2.8)

Высота каркаса равна 9,1 мм.

Рассчитаем диаметр каркаса D0 и учитывая, что ц0=3300:

D0 = = 19 мм(2.9)

2.2 Расчет профиля каркаса функционального потенциометра

Путь, который проходит скользящий движок от начала обмотки:

(2.10)



где - средний расчетный диаметр каркаса равный 19 мм;

- полный угол поворота оси с движком 330 град.

При перемещении движка на расстояние ?lх сопротивление потенциометра изменится на величину ?R.

Для значений ?lх можно написать :

,(2.11)

или при перемещении движка на один виток

,(2.12)

Разделив полученное значение ?R на погонное сопротивление провода с' получим длину одного витка

(2.13)

Откуда:

с' = = (2.14)

Приравняв полученные выражения длины витка найдем:

= 2(H+b),(2.15)



откуда высота каркаса

,(2.16)

Если для кольцевого каркаса dlх заменить на , то выражение примет вид:

,(2.17)

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

,(2.18)

Производную можно определить из уравнения

,(2.19)

,(2.20)



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

,(2.21)

,(2.22)

После подстановки полученного выражения в формулу получим

,(2.23)

В целях упрощения формулы введем обозначение

,(2.24)

Рассчитанное а = 8,84*10-5.

При малой толщине каркаса для предварительных расчетов часто пользуются упрощенной формулой:

,(2.25)

Учитывая техническое задание, показательный закон изменения сопротивления имеет вид:



(2.26)

следовательно:

(2.27)

Учитывая данное выражение можно получить общий вид профиля каркаса (см. рис.2.1), рабочий вид профиля каркаса(см. рис.2.2) и зависимость H (высоты каркаса) от угла поворота (см.рис 2.3) по данным таблицы 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты расчетов

ц	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
ш	9,5	9,6	9,7	9,8	9,9	10	10,1	10,2	10,3	10,4	10,5	10,6
Н	3,3	3,7	4,1	4,6	5,1	5,7	6,4	7,1	7,9	8,9	9,9	11

Рисунок 2.1 - Общий вид профиля каркаса



Рисунок 2.2 - Рабочий профиль каркаса

Рисунок 2.3 - Интервал, отвечающий наиболее подходящей форме изменения профиля каркаса

Получили Нmin = 3,3 мм и Нmax = 11 мм.



3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ И МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Выбор провода обмотки

При разработке потенциометров наряду необходимо рационально выбирать материалы для резистивного элемента и электроизоляционных покрытий, для контактов, корпусов, каркасов, осей, элементов крепления.

Выбор проволоки для обмотки потенциометров зависит от предъявляемых к ним требований, которые разнообразны, 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 температурный коэффициент омического сопротивления, малую термоэлектродвижущую силу относительно меди, стабильные свойства во времени, большую коррозийную стойкость, высокое качество изоляции, большую прочность на разрыв и малое относительное удлинение при растяжении.

Для намотки обмотки потенциометров наиболее используемой является проволока диаметром 0,06-0,12 мм.

Для обмотки потенциометров средней точности используют константан (сплав меди и никеля) или нихром (сплав на хромо-никелевой основе), а для наиболее ответственных высокоточных потенциометров - сплавы на основе благородных металлов. Так как в данном курсовом проекте потенциометр средней точности, то мы выбрали проволоку для обмотки потенциометра из сплава нихром.

Нихром - сплав никеля и хрома (ГОСТ 2238-58), в котором в зависимости от марки сплава содержится 55-78% никеля (Ni); 15-23% хрома (Cr); 1,5% марганца (Mn); железо, алюминий и другие составляют оставшуюся часть. Если быть точнее, то нихром Х20Н80 содержит 72.65-79.1% никеля (Ni) и 20-23% хрома (Cr), а нихром Х15Н60 - 55-61% и 15-18% соответственно. Из-за большего содержания никеля Х20Н80 является более дорогим.. Наиболее ценными физическими свойствами нихромов Х20Н80 и Х15Н60 являются высокое электрическое сопротивление, выше чем у константана, малый температурный коэффициент электросопротивления, высокое сопротивление коррозии в различных средах и высокая жаростойкость (см. табл.3.1). Нихром может работать при температурах 1100-1300 °С. Рекомендуется его применение для нагревателей электротермического оборудования повышенной надежности. Нихром Х15Н60 применяется для изготовления тех же изделий, что и Х20Н80, а также используется в изделиях электронной техники и при создании непрецизионных резисторов.

Так как нихром в основном используется для изготовления нагревательных элементов, то самой распространенной продукцией является нихромовая проволока и нихромовая лента.

Таблица 3.1 - Химический состав и физико-механические свойства сплавов, применяемых для обмоточной проволоки

Сплав	Химический состав в %	Удельное сопротивление при С в Ом /м;	Температурный коэффициент сопротивления в	Допустимая температура нагрева в
Константан	Cu 54-67; Ni 30-45; Mn 1-3	0,48-0,52	-0,000005	400
Нихром	Ni 55-78;Cr 15-23;Mn 1,5	1,05-1,12	-0,00013	1100
Платина-медь	Pt 90ч98; Ni 5ч7	0,15-0,57	+0,0002ч0,00183	-0,5ч5

3.2 Материалы для каркасов

Для изготовления каркасов проволочных потенциометров применяют самые разнообразные материалы. Критерием для выбора материала являются его диэлектрические, антикоррозионные и оптимальные свойства, отвечающие тем или иным требованиям к потенциометрам в зависимости от их габаритных размеров, необходимой прочности и жесткости, точности размеров и формы каркасов. Потенциометры стандартного типа обычно состоят из кольцеобразных или дугообразных каркасов с нанесенной на них однослойной проволочной обмоткой, размещаемых на базовых узлах конструкции. Изменение величины сопротивления происходит за счет перемещения по обмотке контактной щетки (ползунка). В качестве материала для каркасов используют гетинаксовые или текстолитовые пластины, которым после намотки на них провода высокого удельного сопротивления придают на оправах необходимую форму, путем нагрева их до температуры 115-120[2].

Чаще других для каркасов используют различные неметаллические материалы (диэлектрик) и алюминиевые сплавы. Диэлектрики применяются в тех случаях, когда не предъявляются высокие требования к точности размеров и жесткости каркасов.

Неметаллические материалы. К этой группе относятся слоистые пластинки (текстолит, гетинакс, электротехнический эбонит), преспорошки, а также пластмасса; кроме того, иногда используют керамику и стекло, а также неолейкорит и синоксаль.

Текстолит - электроизоляционный конструкционный материал, применяемый для производства подшипников скольжения, шестерён и других деталей, а также в электро- и радиотехнике. Представляет собой слоистый пластик на основе ткани из волокон и полимерного связующего вещества (например, эпоксидной смолы). Текстолит на основе стеклоткани называется стеклотекстолитом. Листовой стеклотекстолит, покрытый медной фольгой, служит основой для изготовления заготовок печатных плат. Стеклотекстолит - наиболее распространенный используемый материал.

Гетинамкс - электроизоляционный слоистый материал, имеющий бумажную основу, пропитанную фенольной или эпоксидной смолой.

Материал обладает низкой механической прочностью, легко обрабатывается и имеет относительно низкую стоимость. Гетинакс применяют в производстве электроизоляции деталей телевизионной и радиотелефонной аппаратуры, гетинамкс. с декоративным наружным слоем - для облицовки мебели, интерьеров судов и др. Из асбогетинакса изготовляют детали низковольтных машин и аппаратов, из органогетинакса - различные машиностроительные, электро- и радиотехнические детали [2].

Кольцевые каркасы обладают большей механической жесткостью, чем пластинчатые каркасы, и позволяют получать обмотку с повышенной точностью размеров. Однако намотку провода на таких каркасах производить труднее, чем на пластинчатых.

Физико-механические свойства материалов, используемых для изготовления каркасов, приведены в табл. 3.2.

потенциометр каркас сплав проволока

Таблица 3.2 - Физико-механические свойства слоистых пластмасс

Диэлектрик	Удельный вес в г/см3	Влагопоглащаемость в %	Температура рразмягчения °С	Прочность	Удельная ударная вязкость в кг/см	Удельное объемное сопротивление Ом см	Диэлектрич. проницаемость	Электр. Прочность кв/см
Гетинакс А	1.25-1.4	4	150	30	13	1011	5-6	200-240
Гетинакс Б	1.25	4	150	30	20	1010	5-6	200-240
Текстолит А	1.3-1.4	3	130	30	20	1010	5-8	200-230
Текстолит Б	1.3-1.4	2	120	30	25	109	5-8	200-230
Эбонит	1.25	0.15	50-75	-	15	1015	3.5	150
Плексиглас	1.2	0.17	60-80	25	8-20	1014	3.2	240



Пользуясь изложенными качествами из таблицы и учитывая то, что в настоящее время гетинакс не используется в радиоэлектронных устройствах, для материала каркаса был выбран Текстолит АБ.

3.3 Материалы для контактов

Подвижные контакты должны обеспечить достаточно стабильное небольшое по величине переходное сопротивление между самим контактом и резистивным элементом, обладать высокой износоустойчивостью, одновременно не вызывая значительного износа самого резистивного элемента. Для точного воспроизведения заданной функции важно, чтобы рабочая поверхность подвижного контакта имела ограниченную ширину, так как движок проволочного потенциометра, как правило, перекрывает несколько витков. Материалы, применяемые для изготовления контактов, определяют работу контактной пары резистивного элемента - движок. Такой материал резистивного элемента должен быть устойчив против электрической эрозии и коррозии. Точность и срок службы потенциометра в значительной степени зависят от материала движка. Он должен быть износоустойчивым, легко обрабатываться, обладать свойствами, препятствующими свариванию контактов, иметь высокую тепло- и электропроводность.

Материал для изготовления движка выбираем в зависимости от величины контактного давления. Лучшим контактным материалом для изготовления токосъемного элемента движка является платина, имеющая высокие контактные свойства и параметры дугообразования, стойкость против электрической эрозии и коррозии. Однако применение платины ограничивается ее высокой стоимостью

Но так как обмотка потенциометра из сплава нихром, то наиболее подходящим движком является ПдИ-18 или ПлН-5. Такой сплав, как нихром с повышением температуры окисляется, в результате чего резко увеличивается переходное сопротивление. Контакт практически полностью нарушается для нихрома при . Поэтому есть ограничения по температуре использования.

3.4 Материалы для корпуса

Материалы для корпуса должны обеспечить хорошую температурную стойкость, хорошую химическую стойкость, стойкость к старению, воздействию атмосферных давлений.

Термопластик - комбинированный материал не подвержен постепенному разрушению из-за температурных перепадов, стойкий к механическим, химическим метеорологическим воздействиям. Термопластик может служить корпусом для элементов работающих как в помещении, так и вне него.

Поскольку термопластик обеспечивает надежную защитную функцию, то будем использовать его.

3.5 Материалы контактов для электрических соединений (выводов)

От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надежность работы, поэтому к нему предъявляют следующие требования:

высокая электропроводность и теплопроводность;

стойкость против коррозии;

высокая температура плавления;

высокое значение тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

простота обработки и низкая стоимость.

Латунь - материал удовлетворяющий всем выше перечисленным требованиям. Для удобной и легкой пайки латунь покрывают луженым выводом.

Медь - удовлетворяет почти всем требованиям за исключением коррозионной стойкости. Это самый распространенный контактный материал

В курсовом проекте будем использовать медь поскольку именно этот материал удобен в использовании благодаря своей мягкости и теплопроводности. Материал ползунка (движка) и втулки выберем - латунь, сталь можно использовать как материал для оси.



4. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПО СБОРОЧНОМУ ЧЕРТЕЖУ

В данной работе описаны конструкции разновидности потенциометров. Однооборотный проволочный потенциометр, как устройство, представляет собой резистивный 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: ось(1), ползунок (2), корпус (3), каркас (4), стопор (5), скоба (6), пружинная шайба (7).

Размещено на Allbest.ru

...