Автоколебания реле

В этой задаче можно не оценивать погрешности.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства реле

Электромагнитное реле (рис. 1) – электромеханическое устройство, механически замыкающее и/или размыкающее электрические контакты. Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь \(2\) и группа контактов \(1\). Электромагнит представляет собой электрический провод \(3\), намотанный на сердечник \(4\) из магнитного материала. Якорь пластина из магнитного материала, управляющая подвижным контактом \(B\) через толкатель \(5\) . Если на катушку не подаётся напряжение контакты \(B\) и \(C\) замкнуты, контакты \(A\) и \(B\) разомкнуты. По этому контакт \(C\) называют нормально замкнутым, а контакт \(A\) – нормально разомкнутым. Как только на электромагнит подаётся напряжение, магнит притягивает к себе якорь. В свою очередь, якорь через толкатель приводит в движение контакт \(B\). В результате, контакты \(B\) и \(C\) размыкаются, контакты \(A\) и \(B\) оказываются замкнуты. Между моментом включения или выключения электромагнита и изменением положения контактов существуют временные задержки ( \(\sim 10^{-3}\) c) обусловленные индуктивными свойствами электромагнита и инерционностью механической части реле.

Обозначение реле на схеме приведено на рис. 2. Катушка электромагнита имеет выводы «1» и «2»», контактная группа имеет выводы «А», «В» и «С» (в соответствии с вышеуказанными обозначениями контактов).

Рис. 2. Обозначение реле на схеме

Экземпляр реле, который есть в вашем оборудовании, имеет только подвижный контакт \(B\) и нормально замкнутый контакт \(C\). При подачи напряжения на электромагнит эти контакты размыкаются.

Если наблюдать за колебаниями листьев деревьев, дорожных знаков над проезжей частью улиц, полотнищ на ветру, то можно заметить, что во всех перечисленных случаях незатухающие колебания происходят за счет энергии постоянно дующего ветра. При этом сама колебательная система производит отбор энергии ветра в нужный момент времени и в количестве, требуемом для компенсации неизбежно присутствующих энергетических потерь. Частота и амплитуда установившихся колебаний определяется как параметрами самой системы, так и параметрами ее взаимодействия с ветром. Такие колебания являются примерами автоколебаний, а сами системы - примерами автоколебательных систем.

В этой задаче вам предстоит собрать и изучить некоторые свойства автоколебательной системы, ключевым элементом которой будет являться реле. Рассмотрим схему, изображённую на рис. 3.

Рис. 3. Автоколебательная система с неизменяемым периодом переключений

При подаче напряжения на схему (включении источника питания) через электромагнит начинает идти ток. На подвижный контакт в этот момент действует сила, которая через некоторый промежуток времени отрывает его от нормально замкнутого контакта. При этом ток в электромагните пропадает, подвижный контакт начинает возвращается в исходное положение, и через некоторое время вновь замыкается с нормально замкнутым контактом. Далее процесс повторяется циклически. В таком процессе период повторения определяется внутренними инерционными параметрами реле.

Регулировать частоту между срабатываниями реле можно с помощью конденсатора. Подключим конденсатор параллельно обмотке реле (рис. 4).

Рис. 4. Автоколебательная система с изменяемым периодом переключений

Изначально конденсатор разряжен. С подачей напряжения на схему (подключением источника питания) в цепи возникает ток и начинается зарядка конденсатора \(C\). Так как контур, содержащий конденсатор и источник питания, не имеет существенного сопротивления, конденсатор заряжается почти мгновенно. Реле размыкает подвижный и нормально замкнутый контакт, отключая схему от источника питания. Но так как электромагнит остаётся подключённым к конденсатору, через него продолжает течь ток. Электромагнитные силы удерживают подвижный контакт отключенным от нормально замкнутого. Со временем по мере разрядки конденсатора ток в цепи уменьшается, и в некоторый момент снижается до такого значения, при котором электромагнит уже не может удерживать контакты разомкнутыми и они вновь замыкаются. Далее процесс повторяется циклически.

Говорят, что в такой автоколебательной системе есть \(RC\)-цепь задержки, образованная конденсатором и сопротивлением электромагнита. Если характерное время \(RC\) цепи много больше периода циклической работы цепи без конденсатора, то можно говорить о том, что \(RC\)-цепь полностью определяет частоту работы цепи на рис.4.

Внимание! Не подавайте на обмотку электромагнита реле напряжение более \(10~В\). Иначереле выйдет из строя!

Внимание! Нарушение полярности подключения электролитических конденсаторов приводит к их выходу из строя. Новые конденсаторы выдаваться не будут!

A1. Подключите электромагнит реле к источнику напряжения. Плавно увеличивая подаваемое напряжение, измерьте напряжение \(U_\mathrm{on}\), при котором срабатывает реле (размыкаются нормально замкнутый и подвижный контакт реле).

A2. Не отключая реле от источника питания, установите на источнике напряжение \(10~В.\) При этом контакты реле окажутся разомкнуты. Плавно уменьшая подаваемое напряжение, измерьте напряжение \(U_\mathrm{off}\), при котором подвижный контакт соединится нормально замкнутым.

A3. В одном предложение ответьте на вопрос: почему \(U_\mathrm{on}\) отличается от \(U_\mathrm{off}\)?

A4. Рассмотрите схему, изображённую на рис. 4. Используя теоретические представления о работе рассмотренной колебательной системы, запишите выражение для ее периода колебаний \(T\).

A5. Соберите схему, изображённую на рис. 4. Измерьте зависимость периода \(T\) переключений реле от ёмкости \(C\) конденсатора, подключённого в цель. Чтобы изменять ёмкость, используйте несколько конденсаторов, объединив их в один. По графику определите характер зависимости.

A6. Используя измеренное с помощью омметра сопротивление \(R\) электромагнита для каждого значения ёмкости \(C\) рассчитайте теоретическое значение периода \(T_{теор}\). В тех же осях и на том же листе, где построен экспериментальный график зависимости \(T(C)\), постройте график зависимости \(T_{теор}(C)\).

A7. Установите в схему один конденсатор \(C=470~мкФ\). Подключите осциллограф к выводам конденсатора. С помощью осциллографа получите изображение импульса напряжения (зависимость напряжения \(U\) от времени \(t\) ) на конденсаторе \(C\) (за длительность импульса примем период \(T\) переключений реле). Зарисуйте осциллограмму импульса. Чему равны максимальное \(U_{\max}\) и минимальное \(U_{\min}\) напряжения, имеющие место на конденсаторе? Объясните, чем, с точки зрения теоретических представлений о работе реле, определены эти напряжения?

A8. Измерьте зависимость напряжений \(U_{\max}\) и \(U_{\min}\) от периода работы исследуемой схемы \(T\). Постройте соответствующие графики. Что можно сказать о характере каждой из зависимостей в целом (напряжение возрастает, убывает, не изменяется)?

A9. Придумайте ещё одну схему, которая бы являлась автоколебательной системой с возможностью изменения периода с помощью конденсатора. В этой схеме конденсатор должен разряжаться гораздо быстрее, чем заряжаться. Изобразите эту схему.

A10. Для придуманной вами схемы измерьте зависимость периода \(T\) переключений реле от ёмкости \(C\) конденсатора, подключённого в цель. Чтобы изменять ёмкость, используйте несколько конденсаторов, объединив их в один. По графику определите характер зависимости.

Указания

1. После подачи на схему напряжения есть опасность получить удар током. Вносить изменения в схему следует после её отключения от источника питания.

2. Назначение контактов реле объясняет рис. 5. Полярность подачи напряжения на электромагнит реле: положительный полюс - к выводу «1», отрицательный – к выводу «2».

3. Гнёзда на макетной плате соединены между собой как показано на Рис. 6.

Рис. 5. Схема подключения к реле

Рис. 6. Схема соединений в макетной плате

Оборудование

1. Лабораторный источник питания

2. Большая макетная плата

3. Соединительные провода для макетной платы

4. Соединительные провода с крокодилами

5. Реле

6. Мультиметр

7. Пять конденсаторов по \(470~мкФ\)

8. Секундомер

9. Осциллограф