1.13. Електромагніти і двигуни
1.13.1 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.
1.13.2. 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.
1.14. Світловоди
Світловоди мають багато переваг порівняно з мідними провідниками. Передавання світла не є вразливим до збоїв в електромагнітному полі, що є особливо важливим в промисловості. Іншою причиною застосування оптичного передавання сигналів є можливість використання дуже широкої частотної смуги, тому він надається для використання, особливо у телефонії, передаванні даних і телевізійних сигналів, зокрема, у цифровій формі.
Принцип дії світловоду полягає на використанні двох матеріалів, що пропускають світло з різним коефіцієнтом заломлення. Коефіцієнт заломлення в об’ємі світловоду є вищим, ніж в оболонці. Світловий промінь постійно переміщується в об’ємі світловоду, тому що є цілковите зовнішнє відбиття: промінь відбивається від площини переходу від оболонки до розміру світловоду. Навколо оболонки є захисна ізоляція.
Світловоди принципово виготовляється як одномодові, так і багатомодові. Багатомодові світловоди можна поділити на два типи: із ступінчастим і градієнтним коефіцієнтом заломлення, найчастіше зустрічаються світловоди з плавною зміною значення коефіцієнта заломлення поміж розміром світловоду та оболонкою, тобто градієнтні.
У багатомодовому світловоді, розмір світловоду є досить великим (діаметр становить близько 50 мкм), таким, що його діаметр є у багато разів більшим, від довжини хвилі світла, що переноситься. Промінь світла може складатись із багатьох складових спектру, котрі можуть переноситись одночасно. Якщо достатньо сильно зменшити діаметр світловоду (до значень приблизно рівних 5-10 мкм, при довжині хвилі світла 1,3 мкм), то світловод може переносити тільки світло з однією модою. Це буде світловод одномодного типу. З огляду на дуже добрі частотні властивості він має можливість щільного упакування інформації – має дуже велику ємність каналу передавання. Вадою такого типу світловодів є надто маленькі розміри, що утруднює поєднання світловодів між собою.
Чимось середнім між світловодом з одинарною модою і світловодними кабелями із ступінчастим коефіцієнтом заломлення, є світловодний градієнтний кабель. В такому кабелі коефіцієнт заломлення зменшується поступово з середини світловоду назовні. Світловий промінь, котрий може косо розповсюджуватись з центру кабелю постійно відбивається і заломлюється в такий спосіб, що спрямовується назад до середини кабелю. Діаметр у градієнтному світловоді є настільки товстим, що одночасно може він переносити багатомодне світло.
Довжина світловодного кабелю є обмежена його дисперсією та затуханням. Дисперсія спричиняє те, що окремі промені світла мають різний час проходження через світловод. Світловий імпульс підлягає розширенню (розмиттю), що обмежує максимальну частоту повтору імпульсів, тобто ширину пасма перенесення. Це особливо істотно при багатомодових світловодах, оскільки різні моди мають різний час проходження, а це обмежує ширину пасма. Такі явища не виникають у одномодових світловодах. У світловодах як одно- так і багатомодових існує також природна дисперсія матеріалу, котра спричинена змінами коефіцієнта заломлення світла в склі, залежного від довжини хвилі і від неоднорідності структури матеріалу. Дисперсія залежить від того, що швидкість, а, відповідно, і час проходження змінюються в залежності від коефіцієнта заломлення відповідно до співвідношення
v=c0/n, (1.19)
де c0 - це швидкість світла в вакуумі; n - коефіцієнт заломлення.
Затухання і дисперсія залежать від довжини хвилі і матеріалу світловоду. Перші волокна 1970 року виготовлення мали затухання порядку 20 дБ/км. З технологічним розвитком почали виробляти світловоди зі значно нижчим послабленням, оптимально вибрано довжину хвилі з огляду на найменше затухання. У першому поколінні світловодів використовувалось світло з довжиною хвилі 0,85 мкм, у другому - 1,3 мкм, а в третьому - 1,55 мкм. Найнижче теоретичне послаблення наступає при довжині хвилі 1,55 мкм і становить 0,16 дБ/км, в той час коли найменша дисперсія наступає при хвилі довжиною 1,3 мкм.
Складною проблемою є обрізання і з’єднання світловодів між собою. Особливо це стосується одномодних світловодів, де тонкі світловоди в кожному сегменті кабелю повинні бути в стосунку до себе поскладані ідеально центрованими. На стиках також виникають так звані відбиття Френеля, що збільшують послаблення з’єднань. На переходах можна обмежити втрати до теоретичної межі приблизно 4%. Послаблення на з’єднаннях є змінним і може становити від 0,2 до 2 дБ в залежності від типу використаного з’єднання і якості виконання. В одномодовому світловоді переноситься світло тільки з однією модою (рис. 1.34.а). Це означає що всі промені відбиваються під тим самим кутом до поверхні оболонки. Всі промені проходять однаковий шлях і є однаковим час проходження. Це означає, що дисперсія не виникає. В товстому світловоді можливими є різних кути відбиття і в зв’язку з цим постає розмиття країв сигналу, що передається, тобто дисперсія (рис. 1.34.б). В градієнтному світловоді промені заломлюються постійно(рис. 1.34.в).
Рис. 1.34. - Три різні типи світловодів