суббота, 25 марта 2017 г.

Термопара и эффект Зеебека

Термопара - это устройство для измерения температуры. Термопара состоит из двух проволок соединённых на одном конце. Эти проволоки состоят из разных материалов. При нагревании места соединения этих проволок на других их концах образуется разность электрических потенциалов т.е. напряжение (можно сказать на одной проволоке плюс на другой минус). Такой эффект называется эффектом Зеебека. Т.е. термопара преобразует разность температур (температуры в месте соединения проволок и температуры "холодных" частей проволок) в напряжение. Это напряжение очень небольшое и поэтому для того чтобы использовать его, для измерения температуры, это напряжение необходимо усилить. Для усиления этого напряжения хорошо подходит неинвертирующий усилитель на операционном усилителе:
Рисунок 1 - Усилитель для термопары
Рисунок 2 - Усилитель для термопары (более наглядная схема для изготовления)


Термопару к усилителю надо подключать обязательно так как показано на рисунке т.е. положительным выводом ко входу усилителя а отрицательным на землю. Резистором R4 можно изменять коэффициент усиления усилителя и настраивать усилитель. Усилитель можно настроить так что напряжение на его выходе будет примерно равно разности температур между нагретым местом соединения проволок и их "холодными местами" делёной на 100. В таком случае, для определения этой разности температур достаточно будет просто умножить напряжение на 100. Теперь рассмотрим одну из причин возникновения эффекта Зеебека. В упрощённом виде:
Рисунок 3 - Эффект Зеебека

При нагревании металла электроны в нём начинают быстро и хаотично двигаться. Если взять длинный кусок металла и один его конец нагревать а другой охлаждать то на одном его конце электроны начнут двигаться быстрее чем на другом - из за этого они начнут перемещаться в сторону холодного конца куска металла что приведёт к тому что на холодном конце этих электронов будет больше и таким образом между холодным и горячим концом появиться напряжение. Такое возможно благодаря подвижности электронов в металле. У разных металлов разная подвижность электронов и следовательно при одних и тех же разностях температур будут разные напряжения. Для измерения температуры лучше использовать металл с самой большой подвижностью электронов, с подходящей температурой плавления. Получив это напряжение его необходимо снять с куска металла но как? Если подсоединить проводник на горячей стороне куска металла то в том проводнике который был подсоединён будет возникать такой же эффект который будет мешать и если проводник будет из того же металла что и основной кусок то на выходе напряжение получить не получиться, поэтому для снятия напряжения используют другой металл у которого эффект создающий напряжение, при нагревании его с одной стороны и охлаждении с другой, будет слабее. В таком случае на выходе получаем разность напряжений которую можно усилить схемой приведённой выше и измерить.
Для расчёта коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе можно воспользоваться программой на странице http://electe.blogspot.ru/2012/06/blog-post_19.html
Посмотреть как работает готовый усилитель и как его сделать можно на видео:
Термопара http://ali.pub/18s8uv
Точный операционный усилитель lm358 http://ali.pub/18s9ew

КАРТА БЛОГА (содержание)

суббота, 4 марта 2017 г.

Бесколлекторный электродвигатель с неодимовыми магнитами

Бесколлекторный электродвигатель - это (как можно догадаться по названию) электродвигатель в котором нет коллектора. Коллектор электродвигателя (не транзистора или чего либо другого) - это контакты расположенные на роторе (вращающаяся часть электродвигателя) через которые идёт ток обмоток на этом роторе. Контакты которые расположены на статоре (части двигателя которая не вращается (если к ней не прикладывать доп. силы (напр. руками крутить))) называются щётками. Для начала, рассмотрим, на простом примере, принцип работы коллекторного электродвигателя.
Принцип работы коллекторного электродвигателя показан на рисунке:
Рисунок 1 - Коллекторный электродвигатель

Расположение обмоток на роторе и постоянных магнитов на статоре могут быть другими, также обмотки могут располагаться на статоре а постоянные магниты на роторе и ещё могут быть всячески комбинированные варианты с более сложной механикой и др. необычными вещами но для простоты рассмотрим данный случай. Щётки на статоре и контакты коллектора расположены так что когда они замкнуты то обмотки ротора создают магнитные полюса таким образом чтобы они притягиваясь к полюсам статора вращали ротор. Во время работы двигателя контакты коллектора и щётки постоянно замыкаются и размыкаются что приводит к их износу. Помимо этого при размыкании контактов, между ними происходит электрический пробой воздуха, образуется дуга через которую идёт ток обмоток. Дуга нагревает контакты что также приводит к их износу и к потери энергии. Эти дуги обычно называют искрами когда видят их. Помимо износа и потери энергии эти искры (или дуги (не знаю как грамотно это назвать)) создают электромагнитные излучения в диапазоне радиочастот которые могут создавать помехи для работы электроники. Заменив эти контакты полупроводниковыми () (или какими либо другими бесконтактными) ключами, можно устранить некоторые недостатки напр. износ, конечно транзисторы тоже со временем изнашиваются но это происходит настолько медленно что этим точно можно пренебречь. Радиочастотные помехи и потери энергии тоже останутся но и они будут значительно меньше если в устройстве управления двигателем с бесконтактными ключами будет предусмотрена система перенаправления энергии запасённой в обмотках таким образом чтобы она не терялась в виде тепла. Часть энергии всё равно будет теряться из за наличия активного сопротивления открытых ключей, потери этой энергии можно уменьшить если использовать ключи с низким активным сопротивлением в открытом состоянии. Также часть энергии будет теряться на закрытых ключах т.к. реальные ключи не обладают бесконечно большим активным сопротивлением.
Теперь рассмотрим наипростейшую конструкцию бесколлекторного электродвигателя без обратных связей;
Рисунок 2 - Бесколлекторный электродвигатель

Т.к. шаговые, асинхронные, вентильные и некоторые другие электродвигатели не имеют коллектора то их можно отнести к бесколлекторным что вполне логично! Поэтому можно рассмотреть работу бесколлекторного двигателя на примере подходящем для рассмотрения шагового. Отличием от двигателя изображённого на предыдущем рисунке здесь является отсутствие коллектора и щёток а также в данном двигателе обмотки расположены на статоре а постоянный магнит находиться на роторе. Режим управления двигателем показанный на анимированном рисунке 2 называется полношаговым с использованием одной фазы на каждом шаге. Если на каждом шаге подавать ток сразу на две обмотки то такой режим будет полношаговым с использованием двух фаз на каждом шаге. Комбинацией полношаговых режимов является полушаговый режим (см. картинку на странице http://electe.blogspot.ru/2014/08/lpt-attiny2313_31.html), есть ещё микрошаговый режим при котором на разные обмотки подаются токи разной величины. В асинхронных электродвигателях, как правило, нет постоянных магнитов на роторе, вместо них там обмотки или в простейшем случае просто металлический предмет какой либо формы. Асинхронные электродвигатели наиболее просты в изготовлении но для управления ими требуется на обмотки подавать синусоидальные напряжения, для этого требуется специальная система управления создать которую труднее чем ту которая подошла бы для шагового двигателя, хотя вполне возможно что драйвер двухфазного шагового электродвигателя с микрошаговым режимом подошёл бы для управления двухфазным асинхронным двигателем. Конструкция двигателя на рисунке 2 имеет недостаток - если постоянный магнит ротора сильный неодимовый то он будет притягиваться к выступам магнитопровода статора в четырёх положениях (хотя даже со слабым магнитом этот эффект будет но значительно слабее). Для того чтобы ротор повернулся из одного такого положения нужно подать на обмотки ток такой чтобы сила созданная обмотками была больше силы которая удерживает ротор в положении при в котором он будет при отсутствии тока в обмотках. Получается что неодимовые магниты, сами по себе не дают выигрыша в мощности, но зато с используя такие магниты можно сделать двигатель имеющий меньшие размеры и массу по сравнению с двигателем имеющим обычные магниты (если уметь и знать как). Рассмотрим другую конструкцию бесколлекторного электродвигателя:
Рисунок 3 - Бесколлекторный электродвигатель

На роторе данного электродвигателя имеется больше магнитов чем на роторе двигателя на рисунке 2, поэтому силы создаваемыме магнитами находящимися ближе всего к выступам магнитопровода и удерживающие ротор в одном из положений частично компенсируются силами создаваемыми остальными магнитами, в результате чего провернуть ротор электродвигателя будет проще т.е. можно провернуть меньшими токами в обмотках ротора. Конструкции изображённые на рисунках 2 и 3 можно изготовить в домашних условиях:


Конечно получившиеся электродвигатели не очень качественные но без ошибок, "наступаний на грабли" и понимания тонкостей, особенностей и основных принципов не возможно полноценное и качественное обучение, поэтому надеюсь что данный опыт будет кому либо полезен.

Неодимовые магниты купить http://ali.pub/wdakz
Эмалированный медный провод 0.2мм http://ali.pub/vs93i

КАРТА БЛОГА (содержание)