Лекція 4

Електромагніти і двигуни. Електричні сенсори, сигналізації та лічильники імпульсів і часу.

Електромагніти. Електричні двигуни. Сенсори. Електричні лічильники імпульсів. Лічильники часу. Сигналізації.

Електромагніти. Їх потрібно вибирати, враховуючи їх робочий цикл, тобто чи мають тримати постійне впродовж довгого невизначеного часу – вмикання на 100 %, чи це має бути цикл із зменшеним робочим часом, наприклад, на 25%, що означає, що притягувальний магніт є увімкнений, наприклад, на 20 секунд, а вимкнений протягом наступних 60 секунд.

Притягувальна сила, чи відштовхувальна, змінюється з переміщенням якоря, і ця зміна є нелінійною. При проектуванні важливо також врахувати робоче положення, в якому магніт буде змонтований. Сила, яка подається в каталозі, визначена для горизонтального монтажу. При вертикальному монтажі потрібно також брати до уваги вагу якоря і напрямок його переміщення, чи це магніт відштовхувальний, котрий діє вниз, чи є притягувальним електромагнітом, котрий діє вверх, так і те, чи ця сила тяжіння співпадає чи протистоїть електромагнітним силам.

Електричні двигуни. Електричні двигуни будуються за кількома принципами. Нижче поданий їх опис:

Двигуни з постійним магнітом є найпопулярнішими двигунами постійного струму, що застосовуються в електроніці. Вони мають достатній стартовий момент обертання. Кількість обертів зменшується пропорційно до значення струму, а струм збільшується пропорційно до значення обертового моменту.

Двигуни постійного струму без заліза. Назва виникає з відсутності якоря в обмотці обертового елементу, в ньому знаходиться тільки мідна обмотка. Залізо спричиняє збільшення втрат при великій частоті перемагнічення (втрати на гістерезис і вихрові струми). Подібна ситуація є і в двигунах постійного струму, котрі працюють з дуже високими швидкостями обертання. Корисним є позбуття заліза у обертовому елементі. Залізо в якорі замінюється нерухомим циліндром в статорі. Двигуни постійного струму без заліза мають дуже малий пороговий момент. Малий пороговий момент та мала індуктивність обмотки обертового елементу дають невелику електромеханічну сталу часу. Такі двигуни досконало надаються до серво застосувань, тобто виконавчих елементів в автоматиці та управлінні.

Кроковий двигун має постійний магніт як обертовий елемент і статор з двома або чотирма обмотками. При кожній зміні фази струму, який проходить через обмотки, обертовий елемент пересувається на сталий кут, який визначається кількістю полюсів обертового елементу і кількості фаз в обмотці статора. Механічний кут кроку визначається наступною залежністю 360⁰/n·p, де р – кількість пар полюсів, а n – кількість фаз у двигуні.

З огляду на свої властивості, кроковий двигун дуже часто застосовується в пристроях автоматики для точного визначення позиції, наприклад, на столі з визначеними спів осями X-Y. Загалом від управляється спеціальними керуючими пристроями, а цілим пристроєм назагал керує мікроконтролер або однокристальний мікропроцесор.

Сенсори

Сенсори і перетворювачі (англ. Transducers) є елементами, завданням яких є визначення зміни вимірюваної величини і створення відповідного сигналу, залежного від напрямку і значення тієї зміни.

Сенсори загалом можна поділити на дві групи: для створення двостанового сигналу, який відповідає, наприклад, замиканню і розмиканню кола, а також такі, котрі створюють сигнал пропорційний вимірюваній величині. Сучасні двостанові сенсори мають найчастіше транзисторний вихід замість механічного перемикача замикаючого/розмикаючого коло. Існує два типи транзисторних виходів: дводротові та тридротові. Тридротові мають різні варіанти: pnp і npn із стандартним барвним позначенням і складом дротів. Коли сенсор pnp є активований, значення вихідного сигналу змінюється в напрямку додатного значення напруги живлення. Вихідний сигнал сенсора npn змінюється в напрямку від’ємної полярності. Тридротовий сенсор також називається сенсором Namur. Сенсор типу Namur можна трактувати як резистор змінного опору: високого, коли сенсор активований, та низького, коли він не активований. Сенсори з транзисторним виходом зазвичай мають захист від короткого замикання виходу та зміни полярності під’єднання (рис. 1.29).

Деякі типи сенсорів: cенсори рівня мають плавець, з’єднаний (вмонтований) з магнітом, котрий з’єднує або роз’єднує контакти контактрона.

Рис. 1.29. - Підключення сенсорів типу pnp і npn

Сенсори чутливі до тиску спричиняють перемикання двостанового вихідного сигналу при певному рівні тиску.

Сенсори перехилення перемикаються при малих змінах кута нахилу детекційного елементу і використовуються, наприклад, в сенсорах положення.

Сенсори ємнісні мають імпеданс, котрий змінюється разом зі зміною об’єму конструкції по відношенню до матеріалу, який визначається, наприклад, металу або рідини. Чим менша діалектрична стала матеріалу, тим менша повинна бути відстань, необхідна для спрацювання (перемикання) сенсора. Значення діалектричної сталої типових середовищ становить: повітря 1, поліамід 4-7, скло 5-15, метал 50-80 і вода 80. Сенсори цього типу можуть встановлювати, наприклад, присутність води, котра знаходиться на іншій стороні скла. Зміна об’єму після введення до середовища матеріалу з вищою діалектричною сталою може бути викрита через матеріал із нижчою діалектричною сталою (рис. 1.30).

Р ис. 1.30 – Ємнісні сенсори.

Типовий зв'язок між значенням діючої поверхні та контактною відстанню, необхідною для вмикання сенсора, для різних матеріалів

Для вимірювання рівня, наприклад, наповнення резервуарів, використовуються ємнісні сенсори, стан котрих змінюється при заданому рівні. Вони мають генератор, котрий збуджується при певній ємності пристрою, яка змінюється, проходячи через певне середнє значення. Сенсори, окрім того, мають ще підсилювач і вихідний транзисторний каскад.

Цього типу сенсори ємності можуть використовуватись до стабілізації рівня заповнення резервуарів, які збирають рідини або порошкові матеріали. Іншим застосуванням ємнісних сенсорів є підрахунок деталей (тобто, перемикань сенсора, спричинених кожною деталлю), визначення переміщення

конвеєрної стрічки і транспортної стрічки або ж визначення положення товару на транспортній тасьмі. Визначення відбувається абсолютно безконтактно, тобто не потрібно зіткнення поверхні сенсора з визначуваною деталлю. Сенсори об’єму не вимагають особливих умов догляду та зберігання, не зношуються і дають дуже виразні імпульси без іскріння чи деренчання (багаторазових дотикань і розмикань) контактів. Це дозволяє отримати високу частоту підрахунку.

Індуктивні сенсори в найпростіших виконаннях складаються із індуктивної котушки, котра реагує на зміну магнітного поля у вимірювальному середовищі. Є також індуктивні сенсори, котрі не вимагають зовнішнього магнітного поля. Вони реагують на зміну власного магнітного поля, спричинену присутністю металевих предметів (рис. 1.31). Магнітне поле виробляється за допомогою внутрішнього генератора.

Р ис. 1.31 – Індуктивні сенсори.

Існують також сенсори з двостановим вхідним сигналом, який змінюється під впливом магнітного поля із певною напруженістю. Характеристики цих сенсорів мають гістерезис, тобто вмикання та вимикання відбувається при різних напруженостях магнітного поля. Цей тип сенсорів властиво включається до категорії індуктивних перемикачів. Вихідний сигнал може безпосередньо керувати іншими електричними пристроями, перемикачами або реле. Перемикання стану виходу відбувається в результаті наближення металевого елементу на певну відстань від рефлектора (безконтактно).

Індуктивні сенсори зазвичай використовуються як безконтактні вимикачі і детектори граничних положень. Вони добре надаються до підрахунку предметів або встановлення їх позиціонування.

Оптичні сенсори мають фототранзистор, електролюмінесцентний діод або фоторезистор як детектувальний елемент. Склад оптичного сенсора має загалом передавач модульованого інфрачервоного випромінювання (IR) разом із приймачем і є чутливим детектором інфрачервоного випромінювання.

Оптичні сенcори можна загалом поділити на 3 групи:

- Складні передавачі/приймачі, які діють з сенсором. Перемикання сенсора відбувається, коли переривається світло, наприклад, коли сенсор затулити.

- Складні передавачі/приймачі, котрі реєструють присутність яскравого предмету, який знаходиться поблизу сенсора і спричиняє відбиття світла.

- Окремі приймачі і передавачі, котрі можуть бути розміщені у спільному корпусі сенсора. Світло передається від пункту передавання до пункту приймання сигналу за допомогою світловоду.

Оптичні сенсори мають напівпровідниковий або перемикальний виходи. Оскільки оптичні сенсори використовують модульоване світло, то вони не реагують на світлові завади з іншими частотами, не кратними частоті модуляції. Додатковим способом захисту від завад є конструкції сенсорів, котрі працюють із поляризованим світлом. Приймач сигналу є чутливий лише тоді, коли світло є синфазним зі світлом передавача.

Електричні лічильники імпульсів і лічильники часу

Електричні лічильники імпульсів. Класичним прикладом є електромагнітний лічильник, де висвітлювані цифри по черзі пересуваються за допомогою механічної системи. Цілком електронні лічильники імпульсів мають рідкокристалічні або світлодіодні (LED) пристрої відображення. Стан лічильника підтримується за допомогою батарейного живлення або зберігається у енергонезалежній пам’яті EEPROM.

За критерій оцінки лічильників імпульсів можна взяти той факт чи виробник пропонує можливість їх програмування. Пристрої із вбудованими інтелектуальними здатностями можуть вираховувати частоту, наприклад, кількість обертів валу двигуна за хвилину або період обертання, тобто вимірювати час між двома черговими імпульсами.

В залежності від будови лічильника, до підрахунку використовується наростаюча чи спадаюча кількість імпульсів напруги, які генеруються у вхідному колі.