книги / Электротехнические устройства радиосистем
..pdfВ качестве преобразователей тепловой энергии в электрическую используются термоэлектрические и тер моэмиссионные преобразователи.
Термобатареи состоят из последовательно соединен ных термопар или термоэлементов. Термопара может быть изготовлена из двух спаянных (в двух точках) про водников, изготовленных из разных металлов.
Если температура в местах спаев одинакова, то тока в таком замкнутом контуре возникать не будет, потому что в этих спаянных местах создаются равные и про тивоположные э. д. с. Но если один из спаев нагреть так, чтобы температура его стала выше температуры второго спая, то равенство э. д. с. нарушится и в цепи появится электрический ток.
Положим, что один проводник изготовлен из меди, а второй проводник — из висмута. Если нагреть один из спаев, то потенциал висмутовой проволоки окажется вы ше потенциала медной проволоки, и поэтому электри ческий ток будет возникать от висмута к более холодно му спаю, как будто бы висмут стал положительным, а медь — отрицательным полюсом гальванического эле мента. Если этот спай вместо нагревания охладить, ос тавляя другой спай при прежней температуре, то при этом также возникнет электрический ток, но обратного направления.
Величина термо-э. д. с. и, следовательно, тока, воз никающего в термопаре, зависит от выбранных метал лов для проводников и от разности температур в местах спаев.
Опытным путем установлено, что при малых разно стях температур термо-э. д. с. пропорциональна разно сти температур мест спаев. При больших разностях тем ператур эта линейная зависимость нарушается. Пропор циональность между термо-э. д. с. и разностью темпера тур позволяет использовать термопару для измерения температур (в известных пределах).
Термоэлементы используются в качестве источников питания малой мощности, например, для питания радио приемников. В простейшем виде термоэлектрический ге нератор представляет собой батарею термопар, у кото рых одни концы спаев нагреваются, а вторые имеют до статочно низкую температуру.
Благодаря разности температур концов спая термо пар создается термо-э. д. с. и во внешней цепи проте
кает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных проводников, двух разнородных полупро водников или из проводника и полупроводника.
Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность темпера тур спаев, а следовательно, не дает возможность полу чать термо-э. д. с. большой величины. Поэтому в термо генераторах используются полупроводниковые термопа ры, а иногда — термопары из проводника и полупровод ника.
В термопаре, состоящей из |
полупроводников с |
/г- и |
/7-проводимостями, процесс возникновения термо-э. |
д. с. |
|
протекает следующим образом. |
При нагревании |
спая |
количество электронов в полупроводнике п и количество электронных дырок в полупроводнике р увеличиваются.
Электроны и дырки вследствие диффузии в полупро водниках движутся от горячего спая термопары к хо лодному. Перемещение дырок приводит к тому, что го рячий конец полупроводника р заряжается отрицатель но, а холодный конец—положительно. В полупроводнике п электроны, переходя из горячего конца к холодному, так же как и в металле, заряжают горячий конец поло жительно, а холодный конец — отрицательно. Термо- э. д. с. пары полупроводников много больше термо-э. д. с. металлической пары. В промышленных термоэлектроге нераторах основным элементом является полупроводни ковая термопара с э. д. с. 1 мв на 1°С и к. п. д. около 7%.
Термоэмиссионные преобразователи (плазменные) представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами и конструктивно подобны электронным лампам. Преобразование тепловой энергии в электрическую в таких приборах осуществля ется за счет использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел. Электроны, эмиттированные катодом в термоэмиссионных преобразователях, движутся к ано ду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение ано да. В зависимости от температуры нагрева катода тер моэмиссионные преобразователи подразделяются на низкотемпературные (1 200— 1 600° С) среднетемператур ные (1 900—2000°С). К. п. д. термоэмиссионных пре образователей достигает примерно 20%.
Для использования тепловой и световой энергии сол нечных лучей применяют солнечные батареи.
В средних широтах на 1 м2 земной поверхности солнце излучает (в среднем) энергию зимой 80 вт и ле том 300 вт, а при прямом солнечном освещении до 1 000 вт.
Одним из прямых методов преобразования энергии солнечных лучей в электрическую является термоэлек трический, сочетающий поглощающее зеркало, или кол лектор с термоэлектрическим генератором. Однако этот метод не может быть использован в устройствах боль ших мощностей, так как термобатареи генератора имеют большое внутреннее сопротивление и ряд других недо статков, препятствующих их широкому распространению. Более просто непосредственное преобразование энер гии солнечных лучей в электрическую осуществляется фотоэлектрическим методом. Энергетические установки, реализующие этот метод, просты по устройству, имеют малый вес и габариты, и поэтому они находят широкое использование в качестве источников электрической энергии малой мощности.
Солнечные батареи или фотоэлектрические преобра зователи представляют собой ряд фотоэлементов, соеди ненных между собой определенным образом. Наиболее широко в этих целях используются фотоэлементы с запи рающим слоем, в которых фотоэффект возникает на
границе между полупроводником и проводником |
(в за |
|||||||||
пирающем |
слое). |
Сущ |
|
Световой потоп |
|
|||||
ность этого |
эффекта со |
|
|
|||||||
стоит в переходе электро |
12 3 |
J |
J ) |
\ 4 5 |
|
|||||
нов под воздействием све |
|
|
|
|
|
|||||
та |
из |
полупроводника |
|
|
|
|
|
|||
в |
проводник. |
При |
этом |
|
|
|
|
^вых |
||
возникает э. д. с., пропор |
|
|
|
|
|
|||||
циональная |
|
интенсивно |
|
|
|
|
|
|||
сти |
освещения фотока |
Рис. 9-8. Схема устройства селе |
||||||||
тода. |
|
|
|
|
нового фотоэлемента. |
|
||||
|
Устройство |
фотоэле |
/ — основание; 2 — селен; 5 — запираю |
|||||||
|
щий |
слой; |
4 — металлическая |
пленка; |
||||||
мента с запирающим сло |
5 — контактное кольцо. |
|
||||||||
ем |
(селенового |
фото |
|
|
|
|
|
|||
элемента) |
показано |
на |
рис. |
9-8. |
На |
стальное |
осно |
вание U являющееся первым электродом (подлож кой), нанесен слой селена (полупроводника) 2, покры того очень тонким слоем золота 4 (толщиной в тысяч ные доли микрона). Эта металлическая пленка является вторым электродом. Между селеном и металлической
пленкой образуется запирающий слой 3. На корпусе фотоэлемента, изготовленном из изоляционного мате риала, укреплены два зажима, один из которых соеди нен со стальным основанием, а другой — с контактным кольцом 5} наложенным на металлическую пленку. Лучи света проникают сквозь прозрачную металлическую пленку в селен и увеличивают число электронов в нем, что создает э. д. с. в элементе.
В настоящее время для фотоэлектрических преобра зователей используются кремниевые фотоэлементы — полупроводники с р-п переходами.
Простейший кремниевый фотоэлемент представляет собой тонкую пластинку их химически чистого кремния, одну из поверхностей которой покрывают тонким равно мерным слоем бора. В течение некоторого времени пластина элемента подвергается технологической обра ботке, вследствие которой атомы бора проникают
вкремниевую пластину на заданную глубину и образует
впограничном слое р-п переход.
Солнечные батареи используются в качестве источ ника электрической энергии для питания радиоприемни ков с полупроводниковыми приборами, а также для пи тания радиотехнической и телеметрической аппаратуры на спутниках земли и на автоматических межпланетных станциях.
Солнечная батарея располагается на поверхности корпуса космического аппарата или в виде специальной конструкции выставляется за пределы аппарата. Эта батарея служит вспомогательным источником электри ческой энергии и используется часто для зарядки акку муляторных батарей.
Кремниевый фотоэлемент развивает э. д. с. примерно 0,5 в на 1 см2 поверхности и допускает ток до 18 ма при к. п. д. около 11 % (теоретически возможный к. п. д. 22%). Внутреннее сопротивление кремниевого фотоэле мента около 2 ом.
Промышленностью освоено производство солнечных батарей двух типов: прямоугольный, развивающий в лет ний ясный день 5 в при токе 20 ма, и шестиугольный, обеспечивающий в тех же условиях 7 в при токе 40 ма.
Солнечные батареи просты, имеют неограниченный срок службы и работают в большом диапазоне измене ния температуры. Это делает весьма перспективным применение солнечных батарей для питания радиоаппа-
324
ратуры шаров — зондов, ракет и т. д. Недостатком соднечных батарей является высокая стоимость изготовле ния химически чистого кремния.
Помимо кремниевых солнечных батарей, строят так же батареи на основе сульфидно-кадмиевых и арсенидогаллиевых элементов, которые имеют весьма высокие показатели.
В топливных элементах происходит непосредственное преобразование энергии химических реакций в электри ческую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива), которое подобно реакции горения топлива. Однако в отличие от горения в этих элементах окисление топлива и восста новление кислорода происходит иа разных электродах, так что нет выделения большого количества тепла. По этому энергия химических реакций выделяется в виде электрической энергии в нагрузке без промежуточного преобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий к. п. д. преобразователя. В топливных элемен тах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газо образном состояниях непрерывно поступают к электро дам.
К топливным элементам могут быть отнесены и био химические источники тока, так как в них протекают подобные окислительно-восстановительные процессы. От личие биохимических элементов от топливных является то, что активные вещества (или одно из них) создаются с помощью бактерий или ферментов из различных угле водов, углеводородов и т. д.
В настоящее время находят применение атомные элементы, конструкция которых различна в зависимости от принципа их действия.
В элементах, использующих p-излучение, на одном из электродов элемента (внутреннем) помещается ра диоактивный изотоп стронций-90. Вторым электродом является металлическая оболочка. Между электродами находится твердый диэлектрик (например, полистирол) или вакуум. Под действием р-лучей на электродах создаются электрические заряды. Напряжение в таких
элементах может достигать |
нескольких |
киловольт, |
а внутреннее сопротивление |
очень велико |
(порядка |
1013 ом). Сила разрядного тока не превышает одного миллиампера (при большей силе тока возникает опас
ность из-за радиации). Срок службы таких элементов очень велик. Положительным полюсом такого элемента является проволока из монель-металла, находящаяся в контакте с источником излучения (препарат строн- ция-90), а отрицательным полюсом — корпус, соединен ный со свинцовым экраном.
В элементах, использующих контактную разность потенциалов, применяется электроды в виде пластинок из различных материалов. Одна из пластин покрыта двуокисью свинца, другая изготовлена из алюминия. Между электродами находится смесь инертного газа (аргона, криптона и т. д.) и радиоактивного трития. Под действием излучения происходит образование ионных пар. Напряжение между электродами определяется кон тактной разностью потенциалов. Под действием этого напряжения положительно и отрицательно заряженные
ионы |
перемещаются к |
электродам. |
Такие |
элементы |
||
имеют |
следующие данные: э. д. с. 1 — 1,9 в, |
внутреннее |
||||
сопротивление |
108— 1011 |
ом, сила |
разрядного |
тока |
||
10-10— 10-11 а. |
Коэффициент полезного |
действия |
таких |
|||
элементов менее 1%. |
|
|
|
|
В элементах с облучаемыми полупроводниками ра диоактивное вещество наносится на поверхность полу проводника (кремния). Излучаемые электроны, имею щие большую скорость, выбивают из атомов полупро водника большое количество электронов, обладающих малым запасом энергии. В результате односторонней проводимости между полупроводником и коллектором, приваренным к нему, возникает небольшая э. д. с. (не сколько десятых долей вольта). Внутреннее сопротивле ние таких элементов 100— 1000 ом й к. п. д. их может достигать нескольких процентов. Недостатком их явля ется малый срок службы вследствие разрушения полу проводника под действием радиации.
В фотоэлектрических атомных элементах использу ется процесс перехода энергии ядериого превращения в световую энергию, которая затем с помощью фотоэле ментов преобразуется в электрическую.
Г л а в а д е с я т а я
РЕЛЕ
10-1. П Р И Н Ц И П РАБОТЫ
ИКЛ А С С И Ф И КА Ц И Я РЕЛЕ
Всхемах питания, управления и защиты радиоустройстп
широко применяются реле — приборы, в которых плавное изменение входных параметров приводит к скачкообразному изменению выход ных параметров. Если в качестве входного параметра взята вели чина х, а выходного — у, то характеристика прибора, обладающего релейным эффектом, имеет вид, представленный на рис. 10-1. При изменении входного параметра х от
нуля |
до значения |
Хи величина |
вы |
|
|
|||||||
ходного параметра у остается неиз |
|
|
||||||||||
менной, равной |
у\. |
Когда |
параметр х |
|
|
|||||||
достигает значения Хи величина па |
|
|
||||||||||
раметра у |
скачкообразно |
становится |
|
|
||||||||
равной У2 и остается неизменной при |
|
|
||||||||||
дальнейшем |
увеличении |
параметра .х |
|
|
||||||||
При уменьшении параметра х от ве |
|
|
||||||||||
личины Х\ |
до |
* 2 параметр у |
остается |
|
|
|||||||
неизменным, |
но три |
х —х2 параметр у |
|
|
||||||||
скачкообразно |
уменьшается |
и прини |
|
|
||||||||
мает |
первоначальное значение у\. |
|
Рис. 10-1. Характеристика |
|||||||||
Рассмотрим |
характеристику |
уп |
||||||||||
прибора, |
обладающего ре |
|||||||||||
равления |
применительно |
к |
широко |
|||||||||
лейным |
эффектом. |
|||||||||||
распространенному |
электромагнитно |
|||||||||||
|
|
|||||||||||
му |
реле. |
|
Работа |
такого |
реле |
|
|
основана на электромеханическом действии тока. Реле состоит из стального сердечника /, катушки 2, ярма 3, якоря 4 и контактной группы 5 (рис. 10-2). Входным параметром является напряжение или ток. До появления тока в катушке якорь отжат пружиной от торца сердечника, вследствие чего замкнуты контакты б — в, назы ваемые нормально замкнутыми (н. з.). При появлении тока в цепи катушки в сердечнике возникает магнитный поток, замыкающийся по ярму, якорю и воздушному зазору.
•При возрастании тока увеличиваются как магнитный поток, так
и сила воздействия на якорь. При определенном |
значении тока |
||||
якорь притягивается к сердечнику, одни контакты |
(б — в) |
размы |
|||
каются, |
а другие (б — а), |
называемые |
нормально |
разомкнутыми |
|
(н. р.), замыкаются, т. е. реле срабатывает. |
|
противо |
|||
При |
уменьшении тока |
до величины, |
при которой сила |
действующей пружины становится меньше электромагнитной силы, якорь возвращается в исходное положение — н. р. контакты размы каются, а н. з. контакты замыкаются. В рассмотренном реле вход ным параметром является ток, а выходным — состояние контактов (сопротивление между контактами). Замкнутому состоянию контак тов соответствует весьма малое сопротивление между ними, а разо
мкнутому— бесконечно большое сопротивление. |
Работу |
реле харак |
теризуют две величины входного параметра: |
ток срабатывания и |
|
ток отпускания. Все промежуточные значения тока |
не приводят |
|
к изменению состояния реле. |
|
|
Таким образом, двум дискретным состояниям реле соответст вуют два дискретных значения входного параметра.' В теории .ре лейных схем для обозначения состояния реле пользуются символами О и 1. Нуль соответствует разомкнутому состоянию контактов, а единица — замкнутому. Входные параметры обозначают .такими же символами. Когда у реле входной параметр равен 0, то и. з.
контакты находятся в состоянии 1, а н. |
р. контакты — в состоянии |
О, и, наоборот, при входном параметре 1 |
и. з. контакты в состоянии |
О, а и. р. контакты в состоянии 1. |
|
Ток срабатывания реле больше тока отпускания. В рассмотрен ном электромагнитном реле после притяжения якоря воздушный за зор становится минимальным, для удержания якоря требуется малый ток и поэтому для отпускания реле ток в обмотке необходимо зна чительно снизить относительно тока срабатывания. Отношение ве
личины |
входного параметра |
при |
отпу |
|
скании |
реле хот к величине |
входного |
||
параметра |
при срабатывании |
реле *гр |
||
называется |
к о э ф ф и ц и е н т о м |
в о з |
||
в р а т а р е л е, т. е. |
|
|
||
Коэффициент возврата всегда |
мень |
|||
ше единицы. Иногда по условиям |
рабо |
ты схемы требуется реле с коэффициен том возврата, близким к единице. Для этого изготовляют реле специальной кон струкции. В электромагнитных реле для этого делают немагнитный зазор после срабатывания реле или магнитное насы
щение стали якоря, чтобы уменьшение немагнитного зазора не влияло на магнитный поток и т. д.
Реле состоит из воспринимающего органа, предназначенного для восприятия входного параметра, и исполнительного органа, который формирует выходные параметры. Для электромагнитного реле это соответственно катушка и контакты.
Воздействие на воспринимающий орган приводит к изменению состояния исполнительного органа через определенное время, назы ваемое временем срабатывания или временем отпускания реле. Вре мя срабатывания /Ср слагается из времени трогания tTр и времени движения /дв:
^cp = ^Tp~h /дв-
Соответственно время отпускания
/от = /Гтр "Ь^ДВ*
Временем трогания называется промежуток времени, прошедший от момента включения или выключения цепи воспринимающего эле мента до начала перемещения подвижной части реле. Время тро гания зависит от постоянной времени обмотки реле. Время движе ния — промежуток времени от начала перемещения подвижной части до замыкания -или размыкания соответствующих контактов, завися щее от ряда конструктивных особенностей реле: массы якоря, его хода, тяговых и противодействующих усилий и т. д.
Для анализа релейных схем важную роль играет выяснение временных соотношений в работе реле. С этой целью прибегают к построению временных диаграмм, в которых действие реле графи чески изображается так, как показано на рис. 10-3.
Точка а |
соответствует |
моменту включения тока |
в |
обмотку, |
в — моменту |
выключения тока. |Временнбй интервал от |
а |
до в — |
|
время пребывания реле под током. |
|
|
||
Реле классифицируют по |
различным признакам. |
|
|
В зависимости от физических явлений, используемых для пере дачи воздействия от воспринимающих органов к исполнительным,
различают |
реле |
|
электромагнитные, |
|
|
||||
индукционные, электротепло-вые, элек |
|
|
|||||||
тронные, полупроводниковые, |
магнит |
|
|
||||||
ные и др. |
|
действия |
исполни |
|
|
||||
По |
принципу |
|
|
||||||
тельных органов реле делят на кон |
|
|
|||||||
тактные и бесконтактные. У бескон |
|
|
|||||||
тактных |
реле исполнительный |
орган, |
|
|
|||||
непосредственно |
соединенный |
с |
уп |
|
|
||||
равляемой |
цепью, |
воздействует |
на |
|
|
||||
управляемую цепь в результате скач |
Рис. 10-3. Временная диа- |
||||||||
кообразного изменения выходных <па- |
|||||||||
раметров. К бесконтактным реле от- |
грамма работы |
реле, |
|||||||
носятся |
электронные, полупроводни |
|
|
||||||
ковые и |
магнитные |
реле. |
параметра |
могут быть реле |
тока, реле |
||||
Ло |
характеру |
|
входного |
напряжения, реле мощности, реле частоты и т. д.
По роду тока, используемого для управления, различают реле постоянного тока и реле переменного .тока.
По выполняемым функциям реле могут быть коммутационными, реле защиты и контрольные реле. Коммутационные реле обеспечива ют переключения управляемых цепей и логические взаимосвязи в релейных схемах. Реле защиты реагируют на аварийное состоя ние электрических цепей, срабатывая при выходе того или иного параметра за пределы нормы, .и вырабатывают сигнал об аварии или отключают цепь, находящуюся в аварийном состоянии. К таким реле относятся, например, реле максимального и минимального тока или напряжения, реле обратного тока .и т. д.
Сочетание коммутационного элемента с реле защиты, предназна ченное для сравнительно редких включений и выключений, называ ется автоматом.
В зависимости от времени срабатывания реле могут быть сверх быстродействующие (время срабатывания до 5 мсек), быстродейст
вующие |
(до 50 мсек), нормальные |
(до |
150 мсек), замедленные (до |
1 сек), реле времени (более 1 сек). |
|
|
|
•По мощности сигнала управления реле различают реле чувстви |
|||
тельные |
(мощность управления до |
0,1 |
вт) и нормальные (более |
0,1 вт). |
|
|
|
1По управляемой мощности различают реле малой мощности, иногда называемые слаботочными, для коммутации до 50 вт посто янного тока или «120 ва переменного тока, реле средней мощности — до 150 вт постоянного тока или 500 ва переменного тока, реле по вышенной мощности — более 150 вт постоянного тока и 500 ва переменного тока, контакторы более 500 вт. Особенность контакто ров состоит в том, что при включениях и выключениях они способ