р е ш е н и е , |
к о г д а д о с т и г а е т с я д о с т а т о ч н о х о р о ш а я з а п и с ь п р и у д о в л е т в о р и т е л ь |
н о й э . д . |
с . с ч и т ы в а н и я . |
Д л я о д н о в р е м е н н о й з а п и с и и н ф о р м а ц и и н а н е с к о л ь к и х д о р о ж к а х г о л о в к и о б ъ е д и н я ю т в б л о к и ( р и с . 1 3 . 1 1 , г). М е ж д у г о л о в к а м и в б л о к а х п о м е щ а ю т э к р а н ы и з п е р м а л л о я 0 , 2 — 0 , 5 мм. Г о л о в к и с т и р а н и я т а к ж е в ы п о л н я ю т и з д в у х п о л у к о л е ц ; з а д н и й з а з о р и х б л и з о к к н у л ю , а р а б о ч и й д о с т и г а е т 0 , 1 — 0 , 2 мм.
Р и с . 1 3 .1 2 . Р а с п р е д е л е н и е п о л я в р а б о ч е м з а з о р е з а п и с ы
ва ю щ е й г о л о в к и :
а— силовые линии магнитного поля; б, в, и г — относительная ве личина продольной напряженности поля перед щелью на различ
ных расстояниях h от поверхности головки ^
Д л я з а п и с и — с ч и т ы в а н и я в у с т р о й с т в а х с м а г н и т н о й п р о в о л о к о й с е р д е ч н и
к и г о л о в о к в ы п о л н я ю т в в и д е д в у х п л а с т и н - п о л у к о л е ц и з п е р м а л л о я т о л щ и н о й д о 0 , 5 мм, в т о р ц а х к о т о р ы х о к о л о р а б о ч е г о з а з о р а и м е е т с я ж е л о б о к , п о к о т о р о м у
п е р е м е щ а е т с я п р о в о л о к а .
Д л я з а щ и т ы г о л о в о к о т в н е ш н и х м а г н и т н ы х п о л е й и х п о м е щ а ю т в э к р а н ы и з п е р м а л л о я , а д л я з а щ и т ы о т п е р е м е н н ы х э л е к т р о м а г н и т н ы х п о л е й — в м е д н ы е
и л и л а т у н н ы е э к р а н ы , в ы п о л н я ю щ и е о д н о в р е м е н н о р о л ь к о р п у с а .
§ 13.4. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА МАГНИТНОЙ ЛЕНТЕ
Запоминающие устройства на магнитной ленте широко применяют и в аналоговой, и в цифровой технике, потому что благодаря возмож ности смены бобин с лентой они имеют практически неограниченную емкость; из всех ЗУ они являются самыми экономичными по стоимости хранения единицы информации.
Емкость цифровых ЗУ на магнитной ленте определяется плотностью записи, состоящей из продольной и поперечной плотности.
П р о д о л ь н о й п л о т н о с т ь ю |
называют число импульсов |
двоичного кода (бит), размещающихся на 1 |
мм длины ленты. Продоль |
ная плотность ограничивается взаимным влиянием полей, создаваемых смежными намагниченными участками носителя. Это влияние особенно заметно в случае так называемой записи с перекрытием, когда шаг записи оказывается меньше длины намагниченных участков. Если воз никающие при этом искажения амплитуды и формы сигналов допусти-
мы, то запись с перекрытием используют для повышения плотности записи. Однако основным путем повышения продольной плотности яв ляется уменьшение длины магнитных участков, что достигается мак симальным приближением головок к носителю и уменьшением рабочего зазора бр. При записи на ленту удается довести длину намагниченных участков до 0,04 мм, что обеспечивает продольную плотность записи порядка 20—30 имп/мм. При записи на проволоку диаметром 0,15 мм удается по лучить плотность записи до 15 имп/мм.
П о п е р е ч н о й п л о т н о с т ь ю называют число дорожек, записанных поперек ленты. Величина шага между дорожками зависит от толщины сердеч ников головок и расстояния между ни ми. Толщина сердечников головок коле блется от 1 до 2,5 мм, а расстояние между головками в блоках (рис. 13.11, г) примерно в 1,5 раза больше толщины головок. Чтобы увеличить поперечную плотность, применяют шахматное рас положение головок. Для этого располо женные вдоль ленты два блока головок смещают в поперечном направлении один относительно другого на полшага.
В аналоговых устройствах номиналь ной принято считать скорость переме щения ленты 0,381 м/сек и устанавливать другие скорости в целое число раз мень ше или больше номинальной. В цифро вых вычислительных машинах скорость достигает 2 — 4 м/сек. Продольная плот ность, умноженная на скорость переме щения ленты, определяет скорость запи си и считывания информации цифро вых ЗУ.
Механизм перемещения ленты в цифровых ЗУ представляет собой довольно сложную электромеханическую систему, которая при большой скорости равномерного перемещения ленты должна обеспечить ее бы стрый разгон и полную остановку (за 5—10 мсек). Если время разгона и торможения будет больше, то это приведет к необходимости делать большие промежутки между участками записи информации на ленте и, следовательно, снизит емкость ЗУ.
Ш и р о к о е р а с п р о с т р а н е н и е п о л у ч и л и л е н т о п р о т я ж н ы е м е х а н и з м ы с б о б и
н а м и ( р и с . 1 3 . 1 3 ) . н а к о т о р ы е н а м а т ы в а е т с я и л и с к о т о р ы х с м а т ы в а е т с я л е н т а .
Д л я б ы с т р о й о с т а н о в к и и р е в е р с а б о б и н с л у ж а т п о р о ш к о в ы е э л е к т р о м а г н и т н ы е м у ф т ы ( с м . § 1 5 . 4 ) . П о д г о л о в к а м и л е н т а д в и ж е т с я р а в н о м е р н о е п о м о щ ь ю в е д у
щ и х р о л и к о в , |
к о т о р ы е н е п р е р ы в н о в р а щ а ю т с я с |
р а в н о м е р н о й с к о р о с т ь ю в р а з |
н ы е с т о р о н ы . |
Д в и ж е н и е , р е в е р с и о с т а н о в к а л е н т ы о с у щ е с т в л я ю т с я п у т е м п р и |
ж а т и я е е о д н и м и з п р и ж и м н ы х |
р о л и к о в к с о о т в е т с т в у ю щ е м у в е д у щ е м у и л и с т о |
п о в о м у р о л и к у , ч т о п р о и з в о д и т с я э л е к т р о м а г н и т а м и (ем. § 1 5 . 1 ) . |
§ 13.5. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА МАГНИТНЫХ БАРАБАНАХ И ДИСКАХ
В качестве промежуточных, а иногда и оперативных ЗУ в цифровых машинах применяют м а г н и т н ы е б а р а б а н ы (рис. 13.14). Ба рабан представляет собой непрерывно вращаемый электродвигателем цилиндр из латуни или алюминия с ферромагнитным покрытием. В ка честве магнитного покрытия, как отмечалось, используют ферролак или никель-кобальтовый слой. Обычно для барабанов применяют уни версальные магнитные головки, которые располагают в так называе-
Р и с . 1 3 .14 . В н е ш н и й в и д м а г н и т н о г о б а р а б а н а
мых скалках в два ряда вдоль образующей барабана. Головки в скалках сдвинуты на полшага вдоль оси барабана, что обеспечивает шахмат ный порядок расположения головок, повышающий поперечную плот ность записи. Дорожки на барабане представляют собой замкнутые параллельные окружности. Так как запись или считывание информа ции с какого-то участка поверхности барабана производится в момент прохождения этого участка под головкой, максимальное время обра щения ЗУ этого типа равно времени, за которое барабан делает один оборот. При скорости вращения, например, 6000 об/мин максимальное время обращения равно 10 мсек. Уменьшить время обращения можно, либо повысив скорость вращения барабана, либо сделав по окружности не одну, а несколько пар скалок с головками. Однако последнее свя зано с усложнением схемы записи —считывания.
Емкость ЗУ с магнитным барабаном определяется поверхностью барабана и может быть оценена по выражению
К |
( 0 , 9 0 - г 0 , 9 7 ) пРІ |
а бит, |
|
b + ( 0 , 5 ~ 1) |
|
где D — диаметр барабана, мм; I — длина барабана, мм; Ь — толщина |
сердечника головки, мм; |
о — продольная |
плотность записи, имп/мм; |
0,90 ч- 0,97—коэффициент, учитывающий интервалы между группами чисел; 0,5 -ь 1 мм — расстояние между дорожками, необходимое для уменьшения влияния одной дорож
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ки на |
соседние. |
|
|
|
|
|
Увеличить |
емкость ЗУ можно |
|
|
|
|
за счет увеличения длины бараба |
|
|
|
|
на или его диаметра. |
|
|
|
|
|
При |
увеличении длины бараба |
|
|
|
|
на зозрастает количество элемен |
|
|
|
|
тов аппаратуры, так как растет |
|
|
|
|
число |
головок. |
Можно |
снизить |
|
|
|
|
необходимое число головок, если |
|
|
|
|
сделать блоки головок переме |
|
|
|
|
щающимися вдоль оси барабана. |
|
|
|
|
Но это связано с усложнением кон |
|
|
|
|
струкции |
блока |
головок. |
барабана |
|
|
|
|
Увеличение |
диаметра |
|
З а в и с и м о с т ь э . д. с . |
|
приводит |
к |
значительному росту |
Р и с . 13 .1 5 . |
п р и |
момента |
инерции, что требует тща |
с ч и т ы в а н и и о т з а з о р а м е ж д у г о |
л о в к о й и |
н о с и т е л е м |
д л я |
д в у х |
тельной балансировки барабана во |
з н а ч е н и й |
о к р у ж н о й |
с к о р о с т и |
м а г |
избежание биений его поверхности. |
н и т н о г о б а р а б а н а |
|
Тепловое |
расширение |
барабана |
|
|
|
|
при больших диаметрах затрудняет сохранение расстояния между головками и поверхностью барабана. Кроме того, возросшая окружная скорость (при неизменной скорости вращения) «растягивает» магнит ные отпечатки и может привести к снижению продольной плотности записи.
Обычно диаметр барабана равен 10—30 см. Длина барабана по об разующей колеблется от 5 до 27 см. Скорость вращения барабана имеет порядок от нескольких сотен до нескольких тысяч оборотов, в минуту. При указанных габаритах емкость ЗУ колеблется от 5 до 400 тыс. бит, а частота записи двоичных цифр может быть доведена до 400—500 кгц.
Высокие окружные скорости барабанов, достигающие нескольких десятков м/сек, не позволяют использовать контактную запись во из бежание порчи магнитного носителя. Поэтому магнитные головки располагают обычно на расстоянии 10—50 мкм от поверхности бара
бана.
Из кривых рис. 13.15 видно, что для стабильности э. д. с. в обмотках считывания зазор h между головкой и барабаном должен сохраняться с большой точностью; причем с точки зрения абсолютной величины э. д. с. этот зазор должен быть возможно меньшим. На величину зазора
между головкой и носителем влияют различные факторы, в том числе эксцентриситет барабана, биения в подшипниках, неравномерность толщины магнитного покрытия и т. п.
Решить проблему сохранения малого и неизменного зазора между головкой и барабаном при больших диаметрах последнего удалось с по мощью п л а в а ю щ е й г о л о в к и . В отверстия, расположенные около рабочего зазора головки, подается сжатый воздух, поднимающий головку над поверхностью барабана. Под действием быстрого вращения барабана воздух приобретает большую скорость и вследствие эффекта Бернулли под головкой создается пониженное давление, в результате
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которого |
головка |
присасывается к |
|
|
|
поверхности |
барабана. |
Благодаря |
|
|
|
действию двух противоположно на |
|
|
|
правленных усилий головка удержи |
|
|
|
вается на постоянной высоте над |
|
|
|
поверхностью |
вращающегося бараба |
|
|
|
на. |
При |
понижении давления посту |
|
|
|
пающего воздуха головка специаль |
|
|
|
ной пружиной |
отводится от барабана |
|
|
|
во избежание порчи |
его |
поверхности. |
|
|
|
ЗУ |
Значительно увеличить |
емкость |
Р и с . |
13 .16 . С х е м а |
з а п о м и н а ю щ е г о |
при |
относительно |
небольшом |
у с т р о й с т в а н а м а г н и т н ы х д и с к а х |
увеличении времени обращения поз |
|
|
|
ми |
д и с к а м и |
(рис. 13.16). |
воляет устройство |
с |
м а г н и т н ы |
В таком ЗУ информация записывается |
на дисках 1, напоминающих |
грампластинки, |
обе |
стороны |
которых |
покрыты магнитным носителем. Диски насажены на общую ось 2, непрерывно вращающуюся. Запись и считывание информации произ водятся двумя магнитными головками 3, укрепленными на рычагах 4, которые могут перемещаться вдоль радиуса дисков и производить за пись или считывание с любой концентрической дорожки диска. Для перевода к другому диску головки с рычагами отводятся на достаточ ное расстояние от оси, а затем вместе с кареткой 5 перемещаются вверх или вниз на уровень нужного диска. После этого рычаги с головками перемещаются к центру до той или иной дорожки. Зазор между поверх ностью дисков и головками обеспечивается также за счет применения плавающих головок.
** *
Взаключение отметим тенденции развития магнитных элементов ЗУ [2.17].
Основными элементами, на которых создают оперативные ЗУ, как относительно малой, так и большой емкости, являются элементы на кольцевых ферритовых сердечниках, диаметр которых не только в эк спериментальных, но и в промышленных образцах, видимо, будет до веден до 0,3—0,35 мм.
В ЗУ с выборкой информации без разрушения и при относительно небольшой емкости используют трачсфлюксоры и бйаксы.
Тонкопленочные элементы на плоских цилиндрических пленках обладают менее трудоемкой технологией сборки, чем ферритовые сер* дечники. Поэтому они найдут применение в ЗУ с временем цикла за писи считывания, сокращенным до 100—200 нсек. Причем перс пективна такая конструкция ЗУ: матрица координатных трансформа торов на ферритовых или ленточных сердечниках и числовые линейки на тонких магнитных пленках.
Большие исследования, ведущиеся в области монокристаллических домённых магнитных элементов, могут привести к созданию ЗУ с ло
гической обработкой информации |
и объединением этих устройств |
с электронными интегральными |
схемами. |
В устройствах внешней долговременной памяти все большее зна чение приобретают магнитные диски. При большой емкости, доведен ной за счет сменных дисков до 2,4 • ІО8 бит, можно снизить габарить и повысить быстродействие устройства.
часть третья ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Г л а в а XIV
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электромеханические элементы (наряду с электромагнитными) яв ляются наиболее старыми электрическими элементами автоматики. Тем не менее, видоизменяясь и совершенствуясь, они успешно конку рируют с относительно новыми магнитными элементами.
Основой рассматриваемых в гл. XIV и XV элементов является э л е к т р о м а г н и т — наиболее простой преобразователь электри ческого сигнала в механическое усилие и перемещение. Входной элек трический сигнал подается в обмотку электромагнита, который притя гивает подвижную часть, называемую якорем.
По роду тока в обмотке различают электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока подразделяют на нейтральные и поляризованные. Нейтральные притягивают якорь при любой полярности тока в обмотке. В поляризованных электромаг нитах направление усилия, действующего на якорь, изменяется при изменении полярности тока в обмотке.
По конструктивному исполнению различают электромагниты
с якорем клапанного типа, с втяжным и с поворотным якорем.
Часто электромагниты являются приводными (тяговыми) и служат для перемещения таких исполнительных устройств как клапаны, заслонки, золотники, рули, цифро- и буквопечатающие устройства и т. п. Однако наибольшее распространение получили электромагниты,
снабженные |
контактной системой, |
э л е к т р о м а г н и т н ы е |
р е л е , |
на основе которых далее рассматриваются электромеханиче |
ские элементы. |
|
|
|
§ 14.1. ТЯГОВЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
На |
рис. |
14.1 схематически показана |
конструкция р е л е |
к л а |
п а н н о г о |
т и п а |
(условные обозначения реле см. на стр. |
380). |
Магнитопровод, |
состоящий из корпуса (ярма), сердечника и якоря, |
выполнен из электротехнической стали. В нормальном состоянии (т. е.
где В — вектор индукции на внешней стороне элемента поверх ности s;
п — единичная внешняя нормаль элемента поверхности s;
при этом интегрирование ведется по всей поверхности, охватывающей тело, на которое действует сила.
Другой вывод формулы для электромагнитного усилия основан на методе энергетического баланса, который и использован в дальнейшем с упрощающими допущениями.
Если обмотка реле с фиксированным воздушным зазором б (рис. 14.2, а) подключается к источнику постоянного тока с напря жением U, то процесс изменения тока в обмотке определяется выра жением
7 каркас с обмоткой; 2 — яр*
мо; 3 — выводы обмотки; 4 — эбонитовый штифт; 5 — кон*
тактные пружины; 5 —замы кающий контакт; 7 — подвиж ные контакты; 8 — размыкаю щий контакт; 9 — возвратная пружина; 10 ~ якорь; И — штифт отлипания; 12 — сердеч
ник
т и п а :
Р и с . 14 .1 . Р е л е к л а п а н н о г о
при обесточенной обмотке) якорь максимально удален от сердечника за счет действия возвратной пружины и контактных пружин подвиж ных контактов. При этом одна пара контактов замкнута (размыкаю щие контакты KP), а вторая пара разомкнута (замыкающие контакты
КЗ). При подаче тока в обмотку якорь притягивается к сердечнику электромагнитным усилием, преодолевая действие механических сил пружин. При этом контакты КЗ замыкаются, а KP размыкаются.
Зависимость электромагнитного усилия от величины воздушного зазора между якорем и сердечником называют т я г о в о й х а р а к
т е р |
и с т и к о й |
электромеханичес |
кого |
устройства. |
механических сил, |
Зависимость |
приведенных к зазору между якорем и сердечником, от величины этого
зазора |
называют |
м е х а н и ч е с |
к о й |
х а р а к т е р и с т и к о й |
устройства. |
выражение |
для |
Аналитическое |
электромагнитного |
усилия |
можно |
получить из формулы Максвелла: |
_1_ |
|
|
Но |
Ф (Вп) В |
ß2 п| ds, |
U == ri + w — » |
(14.1) |
dt |
|
где г uw — сопротивление и число витков обмотки реле; Ф — магнит
ный поток реле. |
в течение |
Умножив (14.1) на idt и интегрируя его за время от 0 до /, |
которого поток возрастает от 0 до Ф, получим |
|
§ Uidt = 5 Р гdt -f § widQ>. |
(14.2) |
Левая часть выражения (14.2) представляет собой энергию, по лученную от источника, первое слагаемое правой части ту ее часть, которая перешла в тепловую форму, а второе—энергию, запа
сенную в магнитном поле реле.
Графически магнитная энергия изображена на рис. 14.2, б всей
заштрихованной площадью, |
где /0 — часть тока обмотки, создающая |
н. с. воздушного зазора, / |
— полный ток обмотки. Если пренебречь |
н. с., затрачиваемой на проведение потока по стальной части магнито провода, что допустимо при достаточно больших зазорах и ненасыщен ной стали, то всю магнитную энергию реле можно считать сосредото ченной в зазоре, т. е. W = и в соответствии с (14.2) и рис. 14.2, б
Р и с . 14.2. К в ы в о д у ф о р м у л ы э л е к т р о м а г н и т н о г о у с и л и я
Рассмотрим энергетический баланс в электромагните при неизмен ном токе / в обмотке и перемещении якоря ( рис. 14.2, а) на величину Дх, определяя координату х, как
При перемещении якоря зазор, а значит, и сопротивление магнит ной цепи уменьшились, магнитный поток возрос с Фг до Ф2 (рис. 14.2, в). Причем из сети при неизменном токе в обмотке получена энергия, равная площади прямоугольника Ф^аЬФ^'
AW = Iw (Ф2 — Фг). |
(14.5) |
Магнитная энергия в зазоре до перемещения якоря равнялась пло щади треугольника ОпФь а после перемещения — площади треуголь
ника Ob Ф2.
Таким образом, магнитная энергия в зазоре при сохранении усло вия (14.3) возросла на величину, равную половине полученной из сети
энергии: |
|
|
|
|
|
|
IФ о |
ІФу |
|
/(ф 2_ фх) |
(14.6) |
Д1Еб - |
■Wöt^ w ^ |
■w 2 |
w |
|
|
|
Очевидно, вторая половина, численно равная первой и соответствующая треугольнику ОаЬ, была израсходована на совершение работы при дви жении якоря под действием силы Ps:
Переходя к пределу, для электромагнитного усилия согласно (14.7) получаем выражение
|
|
d\V6 |
dWs |
|
(14.8) |
|
|
dx |
db |
|
|
|
|
|
где dx = |
d (60 — 6) = — dö. |
|
|
|
Знак |
минус свидетельствует о том, что положительному |
усилию |
соответствует уменьшение воздушного |
зазора. |
|
|
Магнитную энергию (14.3) можно представить так: |
|
|
/б кФ |
/ЛW |
(7а wf |
Gö |
(14.9) |
|
W* |
hw G 6 = |
|
2 “ |
2 |
|
|
|
где Ge — магнитная проводимость воздушного2 |
зазора. |
|
С учетом (14.9) выражение (14.8) для электромагнитного усилия примет вид
|
|
(lw)l |
dG 6 |
(14.10) |
|
|
2 |
db |
|
|
|
где (/ ш)л — н. с. воздушного зазора. |
|
Для плоскопараллельных |
воздушных зазоров |
|
= |
О |
-^-4л-10-М г«], |
(14.11) |
|
о |
|
|
где яд и б — соответственно сечение, м2, и длина воздушного зазора, м\ Ро — магнитная постоянная, гн/м.
Подставив производную от выражения (14.11) по б в (14.10), полу чим
р _ |
( I w ) j • 4я- Ю 7 |
s6 |
( / ® ) 2 - 4 я - 1 0 |
7 |
(14.12) |
э~ |
|
|
' б 2 |
|
|
|
Для практических |
2расчетов |
удобнее иной2 |
вид формулы |
(14.12), |
получаемый в результате несложных преобразований: |
|
PB= ^ = |
= |
- ^ - s 6 « 4 .1 0 s ^ - = 4.105.ß !s 6 [я], |
(14.13) |
2^о $5 |
|
2|х0 |
|
s6 |
|
|
где ßs — индукция |
в воздушном зазоре, тл; |
Ф0 — поток, вб; s&— |
сечение зазора, мг.
Подставляя в (14.12) различные значения б, можно построить тя говую характеристику реле при неизменном токе в обмотке. Теоре тически эта характеристика уходит в бесконечность при б ->■ 0 (пунк-
