1.5.3. Устройства механической коммутации

Это устройства, предназначенные для включения, выключения и переключения электрических цепей.

Переключатели (тумблеры) делятся на однопозиционные и двухпозиционные (рис. 1.37).

В двухпозиционном элементе переключающий контакт замыкает один из неподвижных контактов 2 или 3.

В зависимости от числа коммутируемых ветвей переключатели делятся на однополюсные и двухполюсные: сдвоенный однопозиционный (рис. 1.38), двухполюсный двухпозиционный (рис. 1.38а).

Еще одной разновидностью переключателей является кнопочный переключатель (микротумблер) (рис. 1.39). Этот двухпозиционный переключатель изменяет коммутирующие контакты (2,3) при последовательных нажатиях.

Возможны варианты кнопочных переключателей с мгновенным контактом (без фиксации нового состояния): нормально разомкнутый и нормально замкнутый.

К основным параметрам переключателей относятся: 1) коммутируемый ток, 2) коммутируемое напряжение.

Реле – это электромеханический коммутирующий управляемый элемент. Состояние (положение) коммутируемых контактов определяется величиной тока через управляющую катушку. Особенность элемента: управляющая цепь изолирована от коммутируемых контактов.

В зависимости от конструктивных особенностей различают реле с нормально разомкнутыми (рис. 1.40), нормально замкнутыми или переключаемыми контактами (рис. 1.40а), (рис.1.40б).

Контакты реле обозначают двумя цифрами, разделенными точкой: первая цифра – это порядковый номер реле, вторая – номер контактной пары (рис. 1.40а).

Основные параметры реле: 1) ток срабатывания (определяет его чувствительность), 2) ток отпускания, 3) рабочее напряжение, 4) максимальный коммутируемый ток, 5) номинальное сопротивление обмотки катушки реле.

2.1. Классификация сигналов и их параметры

Сигнал – это объективный (электрический) процесс, протекающий во времени и содержащий некоторую информацию: .

В зависимости от характера временного процесса сигналы делятся на периодические (повторяющиеся во времени) , где – период сигнала и непериодические.

Примеры периодических сигналов:

А) гармонический сигнал (рис. 2.1) ;

Б ) периодическая последовательность импульсов (рис. 2.2) , где одиночный прямоугольный импульс последовательности

.

В ) функция Уолша (Адамара) (рис. 2.2а).

В зависимости от характера динамики сигнала различают непрерывные (аналоговые) сигналы и импульсные сигналы.

Под импульсным сигналом понимают кратковременные изменения тока или напряжения. Простейший импульсный сигнал представляет собой скачок (перепад) тока или напряжения (рис. 2.3).

Непериодические импульсные сигналы отличают по форме одиночного импульса. Идеализированные импульсные сигналы имеют следующую форму: прямоугольную, треугольную, пилообразную, трапецеидальную, экспоненциальную. Такими импульсами аппроксимируют (заменяют) реальные импульсы (рис. 2.4).

Аналоговый сигнал можно представить в виде эквивалентного дискретного сигнала в результате процесса дискретизации, приведенного на рис. 2.5, где – последовательность прямоугольных периодических импульсов. Эквивалентность аналогового и дискретного представления сигнала отписывает теорема отсчетов (Котельникова).

Ц ифровой сигнал (в широком смысле) – это сигнал, дискретизированный во времени и квантованный по уровням. Такой сигнал задается в виде массива цифр.

Ц ифровой сигнал (в узком смысле) – это импульсная последовательность, в которой напряжение может принимать только два значения: высокий логический уровень и низкий уровень (рис. 2.6).

Основные параметры периодических сигналов.

1. Геометрические параметры:

- период сигнала ;

- частота повторения , ;

- амплитуда (максимальное мгновенное значение сигнала).

Для периодической импульсной последовательности вводят дополнительные параметры:

- длительность импульса ;

- скважность ;

- коэффициент заполнения .

2. Энергетические характеристики:

- мгновенная мощность сигнала ; если – это напряжение (ток), то представляет собой мощность, которая выделяется на сопротивлении ;

- энергия сигнала на интервале

, так как , т.е. ;

- средняя мощность сигнала

.

Среднее значение последовательности импульсов (постоянная составляющая сигнала)

.

Геометрический смысл постоянной составляющей. Заменим синусоидальный импульс эквивалентным по площади прямоугольником на интервале, равном периоду сигнала (рис. 2.7). Тогда постоянная составляющая – это высота эквивалентного по площади прямоугольника с основанием, равным периоду сигнала.

Площадь синусоидального импульса

; .

Приравнивая площади, имеем

, , .

Для периодической последовательности прямоугольных импульсов величина постоянной оставляющей определяется аналогично (рис. 2.8)

, .

С физической точки зрения постоянная составляющая представляет собой такое постоянное напряжение, которое не пропускает разделительная емкость.

Периодический сигнал можно представить в виде совокупности простейших ортогональных сигналов

,

где коэффициенты разложения определяются по следующей формуле

,

с учетом свойства ортогональности

.

Например, для гармонического базиса

, где .

Упорядоченная совокупность амплитуд гармонических составляющих представляет собой спектр сигнала. Спектральная диаграмма – это графическое представление спектра (рис. 2.9). Для прямоугольной последовательности импульсов огибающая спектра имеет такой вид

.

В качестве ортогонального базиса может использоваться и другая совокупность функций, например, функций Уолша.

Параметры одиночного импульса.

Р еальный скачок сигнала характеризуется конечной величиной времени нарастания – это интервал времени, в течение которого уровень сигнала возрастает от до (рис. 2.10).

Реальный прямоугольный импульс в общем случае имеет следующие участки (рис. 2.11): – фронт, – срез, – вершина, – выброс, – хвост.

Колебательные процессы вызываются паразитными емкостями индуктивностями и могут отсутствовать. Идеализированный импульс определяется следующими параметрами (рис. 2.12):

1 ) амплитуда импульса (набольшее мгновенное значение импульса относительно начального уровня – ;

2) длительность фронта, время изменения напряжения импульса между уровнями от до – ;

3) длительность среза (определяется аналогично длительности фронта) – ;

4) спад вершины импульса – ;

5) активная длительность импульса по уровню – ;

6) длительность импульса по уровню – ;

7) обратный выброс импульса (хвост) – ;

8) длительность обратного выброса – .

3. RC-цепь при импульсном воздействии

Простейшая RC-цепь состоит из последовательно соединенных элементов: резистора и конденсатора (рис. 3.1). В связи с инерционностью конденсатора процессы установления тока и напряжения в цепи проходят в течение некоторого временного интервала. Известно, что ток через емкость определяется скоростью изменения напряжения на ней:

.

Следовательно, напряжение на емкости принципиально не может измениться скачком, т.е. при переключении сохраняет свое прежнее значение:

.

Основные свойства RC-цепи в режиме переключения:

1) Сразу после переключения цепи конденсатор следует рассматривать как короткозамкнутый элемент для протекающего через него тока.

2) Перепад напряжения передается свободно через конденсатор в режиме короткозамкнутого элемента.

3) Процесс передачи скачка напряжения не зависит от начального напряжения (заряда) на емкости; наличие начального напряжения может быть учтено включением соответствующего генератора ЭДС последовательно с незаряженным конденсатом.

4) После завершения переходного процесса переключения (в установившемся режиме) конденсатор представляет собой разрыв цепи при нулевом токе в ней.

Рассмотрим процесс воздействия скачка напряжения от генератора ЭДС на RC-цепь. Разграничим этот процесс на два этапа: 1) отключение генератора ЭДС от RC-цепи, что сопровождается разрядом конденсатора (свободный режим); 2) включение генератора ЭДС, что обеспечивает заряд конденсатора.