Простейшие генератор и электродвигатель
Простейшие генератор и электродвигатель
Простейший генератор. Конструкция простейшего генератора постоянного тока представляет собой рамку, вращаемую посторонней силой между полюсами электромагнита. При вращении рамки по часовой стрелке в верхнем проводе рамки возникает ток, направленный от нас, а в нижнем — ток, направленный к нам. Появившийся ток через пластины (полукольца) коллектора и щетки отводится во внешнюю цепь. После того как рамка пройдет горизонтальное положение, полукольца коллектора поменяются местами, и ток во внешней цепи сохранит свое значение, несмотря на изменение направления тока в рамке. Однако ток во внешней цепи будет пульсировать, т. е. периодически изменяться от максимального значения до нуля. Это объясняется тем, что рамка, находясь в вертикальном положении, пересекает наибольшее количество магнитных силовых линий, а будучи в горизонтальном положении, вовсе не пересекает их.
Чтобы пульсация тока была незаметной, в генераторах вращают не рамку из одного витка проводов, а якорь с обмоткой из многих десятков витков. Магнитное поле, в котором вращается якорь, усиливается применением электромагнитов с большим числом витков обмотки. При этом в обмотки катушек возбуждения электромагнитов направляется ток от самого генератора. Такие генераторы называются генераторами с самовозбуждением.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Рис. 9.3. Схема простейшего генератора однофазного переменного тока
Простейший генератор (рис. 9.3) однофазного переменного тока в отличие от генератора постоянного тока вместо коллектора имеет контактные кольца, ток с которых снимается щетками. Каждое из этих колец при любом положении рамки постоянно соединено с одним и тем же проводом внешней цепи. Поэтому при вращении рамки ток в цепи меняется не только по величине (от максимума до 0), но и по направлению.
В обмотки возбуждения полюсов подается постоянный ток от постороннего источника.
На практике получили распространение трехфазные генераторы переменного тока, которые гораздо проще по конструкции и надежнее в эксплуатации, чем однофазные.
Простейший электродвигатель. Если проводник с током поместить в магнитное поле, то в результате взаимодействия поля проводника и поля магнита проводник будет перемещаться в направлении, перпендикулярном к магнитным силовым линиям магнита.
С одной стороны проводника силовые линии его магнитного поля направлены в ту же сторону, что и силовые линии поля магнита, т. е. силовые линии сгущаются. С другой стороны проводника его силовые линии направлены навстречу силовым линиям поля магнита, т. е. силовые линии разрежаются. При этом проводник с током выталкивается в ту сторону, где магнитные силовые линии расположены реже.
Направление движения проводника зависит от расположения полюсов, а также направления тока в проводнике.
Механическая сила, действующая на проводник с током, пропорциональна магнитному полю полюсов магнита, току в проводнике и его длине.
Взаимодействие проводника с током в магнитном поле положено в основу действия элетродвигателей, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую.
Рис. 9.4. Схема простейшего электродвигателя постоянного тока: а—взаимодействие магнитного поля рамки с полем магнита; б — схема электродвигателя
Конструкция простейшего электродвигателя (рис. 9.4) постоянного тока представляет собой виток провода в виде рамки, помещенной между полюсами постоянного магнита (рис. 9.4, а) или полюсами электромагнита (рис. 9.4, б) с катушками обмотки возбуждения.
При пропускании через рамку постоянного тока ее верхний провод в силу взаимодействия магнитных полей тока и магнита будет выталкиваться вправо, а нижний — влево (см. рис. 9.4, а). В результате рамка повернется по часовой стрелке.
Когда рамка достигнет горизонтального положения, направление тока в ней при помощи коллектора, состоящего из двух полуколец (см.
рис. 9.4, б) и скользящих по ним щеток, изменится на обратное, и рамка продолжит свое вращение по часовой стрелке.
В реальных конструкциях электродвигателей, в том числе и в автомобильных стартерах, для повышения равномерности вращения и получения необходимого крутящего момента вместо рамки из одного витка между полосами помещают обмотку из нескольких десятков витков. Такая обмотка помещается на сердечнике якоря. Наличие сердечника позволяет уменьшить воздушный промежуток между полюсами и избежать нежелательного ослабления магнитного поля.
Если две обмотки расположить на сердечнике недалеко друг от друга и по обмотке (рис. 9.5, а) пропустить постоянный электрический ток, прерывая его прерывателем Пр, то вокруг сердечника будет то возникать, то исчезать магнитное поле. Магнитные силовые линии этого поля, персекая витки вторичной обмотки будут индуктировать в них э.д.с. взаимоиндукции, так как э.д.с. индуктируется не только при перемещении проводника в магнитном поле, но и при всяком изменении этого поля.
Э.д.с. взаимоиндукции возрастает при увеличении числа витков вторичной обмотки, при более сильном магнитном поле первичной обмотки и более быстром исчезновении магнитного поля. На принципе взаимоиндукции работают катушки зажигания автомобилей.
При замыкании и размыкании контактов прерывателя Пр витки обмотки также пересекаются магнитными силовыми линиями и в обмотке индуктируется э.д.с. самоиндукции.
Э.д.с. самоиндукции действует против тока при замыкании контактов прерывателя Пр (рис. 9.5, б), замедляя нарастание силы тока в обмотке. При размыкании контактов прерывателя Пр э.д.с. самоиндукции действует в направлении движения тока (рис. 9.5, в) и создает искру между контактами.
Таким образом, возникновение э.д.с. самоиндукции в первичной обмотке влечет за собой снижение э.д.с. во вторичной обмотке. Для ликвидации вредного действия э.д.с. самоиндукции параллельно контактам прерывателя включают конденсатор, который способствует увеличению э.д.с. во вторичной обмотке и уменьшению окисления контактов прерывателя.
Схемы простых генераторов импульсов
Генераторы импульсов являются важной составляющей многих радиоэлектронных устройств. Простейший генератор импульсов (мультивибратор) может быть получен из двух-каскадного УНЧ (рис. 6.1). Для этого достаточно соединить вход усилителя с его выходом. Рабочая частота такого генератора определяется значениями R1C1, R3C2 и напряжением питания. На рис. 6.2, 6.3 показаны схемы мультивибраторов, полученные простой перестановкой элементов (деталей) схемы, изображенной на рис. 6.1. Отсюда следует, что одну и ту же простейшую схему можно изобразить различными способами.
Рис. 6.1
Рис. 6.2
Практические примеры использования мультивибратора приведены на рис. 6.4, 6.5.
На рис. 6.4 показана схема генератора, позволяющего плавно перераспределять длительность или яркость свечения светодиодов, включенных в качестве нагрузки в цепи коллекторов. Вращением ручки потенциометра R3 можно управлять соотношением длительностей свечения светодиодов левой и правой ветвей.
Если увеличить емкость конденсаторов С1 и С2, частота генерации понизится, светодиоды начнут мигать. При уменьшении емкости этих конденсаторов частота генерации возрастает, мелькание светодиодов сольется в сплошное свечение, яркость которого будет зависеть от положения ручки потенциометра R3. На основе подобного схемного решения могут быть собраны разнообразные полезные конструкции, например, регулятор яркости светодиодного фонарика; игрушка с мигающими глазами; устройство плавного изменения спектрального состава источника излучения (разноцветные светодиоды или миниатюрные лампочки и светосуммирую-щий экран).
Рис. 6.3
Рис. 6.4
Генератор переменной частоты (рис. 6.5) конструкции В. Цибульского позволяет получать плавно изменяющееся со временем по частоте звучание [Р 5/85-54]. При включении генератора его частота возрастает с 300 до 3000 Гц за 6 сек (при емкости конденсатора СЗ 500 мкФ). Изменение емкости этого конденсатора в ту или иную сторону ускоряет или, напротив, замедляет скорость изменения частоты.
Плавно изменять эту скорость можно и переменным сопротивлением R6. Для того чтобы этот генератор мог выполнять роль сирены, или быть использованным в качестве генератора качающейся частоты, можно предусмотреть схему принудительного периодического разряда конденсатора СЗ. Такие эксперименты можно рекомендовать для самостоятельного расширения познаний в области импульсной техники.
Рис. 6.5
Рис. 6.6
Управляемый генератор прямоугольных импульсов показан на рис. 6.6 [Р 10/76-60]. Генератор также представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для упрощения схемы генератора достаточно соединить эмиттеры транзисторов конденсатором. Емкость этого конденсатора определяет рабочую частоту генерации. В данной схеме для управления частотой генерации в качестве управляемой напряжением емкости использован варикап. Увеличение запирающего напряжения на варикапе приводит к уменьшению его емкости. Соответственно, как показано на рис.
6.7, возрастает рабочая частота генерации.
Рис. 6.7
Варикап, в порядке эксперимента и изучения принципа работы этого полупроводникового прибора, можно заменить простым диодом. При этом следует учитывать, что германиевые точечные диоды (например, Д9) имеют очень малую начальную емкость (порядка нескольких пФ), и, соответственно, обеспечивают небольшое изменение этой емкости от величины приложенного напряжения. Кремниевые диоды, особенно силовые, рассчитанные на большой ток, а также стабилитроны, имеют начальную емкость 100… 1000 пФ, поэтому зачастую могут быть использованы вместо варикапов. В качестве варикапов можно применить и р-n переходы транзисторов, см. также главу 2.
Для контроля работы сигнал с генератора (рис. 6.6) можно подать на вход частотометра и проверить границы перестройки генератора при изменении величины управляющего напряжения, а также при смене варикапа или его аналога. Рекомендуется полученные результаты (значения управляющего напряжения и частоту генерации) при использовании разного вида варикапов занести в таблицу и отобразить на графике (см.
, например, рис. 6.7). Отметим, что стабильность генераторов на RC-элементах невысока.
Рис. 6.8
Рис. 6.9
На рис. 6.8, 6.9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений. Первый из них вырабатывает короткие вспышки света частотой единицы Гц, второй — импульсы звуковой частоты. Соответственно, первый генератор может быть использован в качестве маячка, светового метронома, второй — в качестве звукового генератора, частота колебаний которого зависит от положения ручки потенциометра R1. Эти генераторы можно объединить в единое целое. Для этого достаточно один из генераторов включить в качестве нагрузки другого, либо параллельно ей. Например, вместо цепочки из светодиода HL1, R2 или параллельно ей (рис. 6.8) можно включить генератор по схеме на рис. 6.9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.
Генератор импульсов (рис. 6.10), выполненный на составном транзисторе (п-р-п и р-п-р), не содержит конденсаторов (в качестве частотозадающего конденсатора использован пьезокерамиче-ский излучатель BF1). Генератор работает при напряжении от 1 до 10 Б и потребляет ток от 0,4 до 5 мА. Для повышения громкости звучания пьезокерамического излучателя его настраивают на резонансную частоту подбором резистора R1.
Рис. 6.10
Рис. 6.11
На рис. 6.11 показан достаточно оригинальный генератор релаксационных колебаний, выполненный на биполярном лавинном транзисторе.
Генератор содержит в качестве активного элемента транзистор микросхемы К101КТ1А с инверсным включением в режиме с «оборванной» базой. Лавинный транзистор может быть заменен его аналогом (см. рис. 2.1).
Устройства (рис. 6.11) часто используют для преобразования измеряемого параметра (интенсивности светового потока, температуры, давления, влажности и т.д.) в частоту при помощи резистивных или емкостных датчиков.
При работе генератора конденсатор, подключенный параллельно активному элементу, заряжается от источника питания через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения пробоя активного элемента (лавинного транзистора, динистора или т.п. элемента), происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки, после чего процесс повторяется с частотой, определяемой постоянной RC-цепи. Резистор R1 ограничивает максимальный ток через транзистор, препятствуя его тепловому пробою. Времязадающая цепь генератора (R1C1) определяет рабочую область частот генерации. В качестве индикатора звуковых колебаний при качественном контроле работы генератора используют головные телефоны. Для количественной оценки частоты к выходу генератора может быть подключен частотомер или счетчик импульсов.
Устройство работоспособно в широком интервале изменения параметров: R1 от 10 до 100 кОм (и даже до 10 МОм), С1 — от 100 пФ до 1000 мкФ, напряжения питания от 8 до 300 В. Потребляемый устройством ток обычно не превышает одного мА.
Возможна работа генератора в ждущем режиме: при замыкании базы транзистора на землю (общую шину) генерация срывается. Преобразователь-генератор (рис. 6.11) может быть использован и в режиме сенсорного ключа, простейшего Rx-и Сх-метра, перестраиваемого широкодиапазонного генератора импульсов и т.д.
Генераторы импульсов (рис. 6.12, 6.13) также выполнены на лавинных транзисторах микросхемы К101КТ1 типа п-р-п или К162КТ1 типа р-п-р, динисторах, или их аналогах (см. рис. 2.1). Генераторы работают при напряжении питания выше 9 Б и вырабатывают напряжение треугольной формы. Выходной сигнал снимается с одного из выводов конденсатора. Входное сопротивление следующего за генератором каскада (сопротивление нагрузки) должно в десятки раз превышать величину сопротивления R1 (или R2). Низкоомную нагрузку (до 1 кОм) можно включать в коллекторную цепь одного из транзисторов генератора.
Рис. 6.12
Рис. 6.13
Рис. 6.14
Довольно простые и часто встречающиеся на практике генераторы импульсов (блокинг-генераторы) с использованием индуктивной обратной связи показаны на рис.
6.14 [А. с. СССР 728214], 6.15 и 6.16. Такие генераторы обычно работоспособны в широком диапазоне изменения напряжения питания. При сборке блокинг-генераторов необходимо соблюдать фазировку выводов: при неправильном подключении «полярности» обмотки генератор не заработает.
Рис. 6.15
Рис. 6.16
Подобные генераторы можно использовать при проверке трансформаторов на наличие межвитковых замыканий (см. главу 32): никаким иным методом такие дефекты не могут быть выявлены.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год
Здесь мы опишем, как использовать легкодоступные материалы
сделать простой генератор. Хотя он будет достаточно мощным, чтобы
зажгите небольшую лампочку-фонарик, она работает по тому же принципу, что и электрическая
станции-генераторы, которые снабжают бытовую электроэнергией.
В этом простом и легком в изготовлении устройстве два мощных неодимовых магнита, вращающиеся в катушке из проволоки, индуцируют ток в соответствии с законом Фарадея. Вы также можете использовать устройство, чтобы показать учащимся разницу между постоянным и переменным током. Они точно будут впечатлены! Включает полные инструкции и воспроизводимый рабочий лист для учащихся.
Понятия: электрические генераторы, электромагнетизм, переменный ток, закон Фарадея.
Необходимое время: 15 минут
Предоставляемые материалы: картонная трубка, железный гвоздь, красный светодиод, магнитная проволока, неодимовые магниты, наждачная бумага.
Примечание. Также доступен в виде комплекта для занятий в классе с достаточным количеством материалов для восьми групп учащихся.