1.4 Энергетические свойства элементов

Каждый элемент в силу своих свойств преобразует входной сигнал X в выходной Y. Под этим понимается в первую очередь информационное преобразование, но каждый сигнал является реальным физическим процессом, который обладает не только информационными, но и энергетическими свойствами. Непосредственной зависимости информационных и энергетических свойств сигнала не существует. Очень содержательный в информационном отношении сигнал может иметь ничтожную мощность, а мощный энергетический процесс содержать чрезвычайно мало информации.

Для успешного функционирования элементы должны быть энергетически согласованы друг с другом, чтобы энергии передаваемого между ними сигнала было достаточно для правильной передачи необходимой информации.

По своим энергетическим свойствам все элементы делятся на два вида – активные и пассивные.

У пассивных элементов единственным источником энергии выходного сигнала является входной сигнал (рис.12). Поскольку часть энергии входного сигнала будет израсходована на покрытие потерь при функционировании элемента (трение, джоулево тепло при протекании тока по проводнику, паразитное излучение световых или радиоволн и т.д.) мощность выходного сигнала у пассивного элемента всегда меньше мощности входного сигнала Р_вых < Р_вх.

Р_пот

Р_вых

Р_пит

Р_вх

Р_вых

Р_вх

Р_пот

Рис.12 Рис.13

Энергетическая диаграмма Энергетическая диаграмма

пассивного элемента. активного элемента

Активный элемент кроме входного сигнала имеет еще дополнительный источник энергии – источник питания (рис.13). Благодаря дополнительной энергии от источника питания, у активного элемента можно получить мощность выходного сигнала больше, чем мощность входного сигнала

Р_вых > Р_вх.

Это соотношение не означает нарушение закона сохранения энергии, т.к. общий баланс энергий нарушен не будет:

Р_ВХ +Р_ПИТ ≡ Р_ВЫХ +Р_ПОТЕРЬ

У активных элементов входной сигнал осуществляет модуляцию (управляемое изменение) передачи энергии от источника питания на выход, поэтому активные элементы называют модуляторными.

В пассивных элементах вся энергия выходного сигнала берется от входного сигнала, поэтому другое название пассивных элементов – генераторные элементы.

Примерами пассивных элементов являются, например светодиод, вся световая энергия которого есть часть подведенной электрической энергии, фотодиод в генераторном режиме, когда он вырабатывает электрическую энергию из поглощенной им световой энергии или электродвигатель, преобразующий подводимую к нему электрическую энергию в механическую.

Примером активного элемента является фотодиод в диодном режиме, когда световой сигнал изменяет величину тока, потребляемого от источника питания, или электронный усилитель, обеспечивающий большую мощность выходного сигнала под управлением слабого входного сигнала.

Тема 2. Электрический контакт

2.1 Сопротивление контакта

В современных системах автоматического управления в основном применяются электрические сигналы. Они легко формируются, обрабатываются, передаются и принимаются элементами. В основном электрические сигналы передаются по гальванической связи – через проводники. В месте соединения проводников образуется электрический контакт. Таких контактов в современных элементах и системах может быть очень много – сотни, тысячи и даже миллионы. Поэтому знание свойств электрических контактов и умение правильно их конструировать и применять так важно при проектировании элементов и систем автоматического управления. Неправильно спроектированные контакты могут существенно снизить надежность и долговечность всей системы или вообще сделать ее неработоспособной.

Проведем простой эксперимент: возьмем проводник определенной длины и сечения и замеряем его электрическое сопротивление R₀.

, (7)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, Ом*м

L – длина проводника, м

S – площадь поперечного сечения проводника, м².

Разрежем проводник на две части, приведем их в соприкосновение и сожмем с некоторой силой F_К, как показано на рис.14.

Рис.14

Определение сопротивления проводника.

Измерение сопротивления замкнутых таким образом частей проводника показывает, что величина сопротивления возрастает

(8)

Появившееся дополнительное сопротивление R_K называется переходным сопротивлением контакта и состоит из двух частей

Эти составляющие переходного сопротивления имеют различную физическую природу. Первая составляющая R_СТ называется сопротивлением стягивания, вторая составляющая R_ПЛ представляет собой сопротивление поверхностных пленок на соприкасающихся поверхностях.

Сопротивление стягивания вызвано тем, что непосредственный гальванический контакт соприкасающихся поверхностей происходит не по всей поверхности соприкосновения, а только на отдельных малых площадках, суммарная площадь которых существенно меньше. Величина этой суммарной площади определяется равновесием силы контактного нажатия F_К и силы реакции деформации материала проводника

,

где σ_СЖ – прочность материала проводника на сжатие, S_i – площадь i – й элементарной площадки контакта.

Из-за отсутствия сплошного контакта на поверхности соприкосновения линии тока в теле контакта будут деформироваться, стягиваясь к отдельным площадкам (рис. 15).

Рис.15.

Стягивание тока в контакте.

Увеличение длины и уменьшение поперечного сечения элементарных трубок тока приводит к увеличению их сопротивления, что и выражается в появлении дополнительного сопротивления R_СТ. Величина сопротивления стягивания зависит от числа и суммарной площади элементарных площадок, которые в свою очередь зависят от свойств материала, геометрии контакта и величины силы контактного нажатия F_К.

Опытным путем установлено, что величину R_СТ можно с достаточной для практики точностью определять по эмпирической формуле

, (9)

где a и b – справочные константы, зависящие от геометрии, размера и материала контакта (даются в справочниках) . Типовая зависимость R_СТ(F_К) показана на рис 16.

Рис.16

Влияние силы контактного нажатия

Составляющая R_ПЛ отображает дополнительное сопротивление, вызванное наличием на соприкасающихся поверхностях контакта пленок окислов, сульфидов и других химических соединений, образующихся при реакции материала контакта с окружающей средой. Эти соединения могут иметь значительное электрическое сопротивление даже при очень малой толщине. Например, двуокись алюминия Al₂O₃ применяется в микроэлектронике или в электролитических конденсаторах в качестве изолятора (диэлектрика).

Если контакт образован телами, выполненными из разных материалов, в контакте кроме рассмотренного переходного сопротивления возникает ЭДС, обусловленная различием концентрации носителей заряда (электронов) в материале контактирующих тел. Величина контактной ЭДС обычно составляет доли милливольта, но при создании прецизионных электронных схем ее приходится учитывать.