Что такое цепи с регулируемыми концами

Реостаты. Виды и устройство. Работа и особенности

Во многих электронных устройствах для регулирования громкости звука необходимо изменять силу тока. Рассмотрим устройство (реостаты), с помощью которого можно изменять силу тока и напряжение. Сила тока зависит от напряжения на концах участка цепи и от сопротивления проводника: I=U/R. Если изменять сопротивление проводника R, тогда будет меняться сила тока.

Сопротивление зависит от длины L, от площади поперечного сечения S и от материала проводника – удельного сопротивления. Для того чтобы изменять сопротивление проводника, нужно менять длину, толщину или материал. Весьма удобно изменять длину проводника.

Например, цепь, состоящая из источника тока, ключа, амперметра и проводника в виде резистора АС из проволоки с большим удельным сопротивлением.

Перемещая контакт С по этой проволоке, можно менять длину проводника, которая задействована в цепи, тем самым изменять сопротивление, а значит, и силу тока. Следовательно, можно создать устройство с переменным сопротивлением, с помощью которого можно изменять силу тока. Такие устройства имеют название реостатами.

Реостат – это устройство с изменяемым сопротивлением, которое служит для регулировки силы тока и напряжения.

Устройство реостата

На цилиндр, выполненный из керамики, намотан металлический проводник, который сделан из материала с большим удельным сопротивлением. Сделано это для того, чтобы при небольшом изменении длины существенно менялось сопротивление. Этот металлический провод называется обмоткой. Он так называется, потому что намотан на керамический цилиндр.

Концы обмотки выведены к зажимам, которые называются клеммами. В верхней части реостата есть металлический стержень, который тоже заканчивается клеммами. Вдоль металлического стержня и вдоль обмотки может перемещаться скользящий контакт, который называется ползунком. Так как скользящий контакт имеет такое название, то подобный реостат называется ползунковым реостатом.

Принцип действия

Ползунковый реостат подсоединен в цепь через две клеммы: нижнюю с обмотки и верхнюю клемму, там, где металлический стержень. При подключении его в цепь, таким образом, ток через нижнюю клемму проходит по виткам обмотки, а не поперек витков. Далее ток проходит через скользящий контакт, потом по металлическому стержню, и опять в цепь.

Таким образом, в цепи задействована только часть обмотки реостата. Когда ползунок перемещается, то меняется сопротивление той части обмотки реостата, которая находится в цепи. Изменяется длина обмотки, сопротивление и сила тока в цепи.

Необходимо обратить внимание, что ток в той части реостата, по которой он проходит, идет по каждому витку обмотки, а не поперек них. Это достигается тем, что витки обмотки изолированы между собой тонким слоем изоляционного материала. Разберемся, как осуществляется контакт между витками обмотки и ползунком.

При движении по обмотке ползунок движется по ее верхнему слою, который имеет зачищенный участок изоляции на пути ползунка. Так осуществляется контакт между ползунком и витком обмотки. Между собой витки изолированы.

На схеме изображена цепь с источником тока, выключателем, амперметром и ползунковым реостатом. При перемещении ползунка реостата меняется его сопротивление и сила тока в цепи.

Ползунковый реостат можно подключать к цепи при помощи двух клемм: верхней и нижней. Но реостаты подключаются и по-другому.

Реостат можно подключить через три клеммы. Две нижние клеммы соединяются с концами обмотки, и один провод с верхней клеммы. Напряжение подается на всю обмотку, а снимается напряжение только с части обмотки. Ползунок делит реостат на два резистора, которые соединены последовательно.

Общее напряжение равно сумме напряжений каждого резистора. Поэтому выходное напряжение меньше входного значения. Выходное напряжение меньше, чем входное во столько раз, во сколько сопротивление части обмотки меньше, чем сопротивление всей обмотки. То есть, реостат делит напряжение, и называется делителем напряжения или потенциометром.

Виды и особенности реостатов

Реостат в виде тора

Два крайних зажима – это концы обмотки, а средний зажим соединен с ползунком. Вращая ползунок по обмотке, можно изменить сопротивление и сила тока в цепи.

Рычажные реостаты

Они получили такое название, потому что в его нижней части находится переключатель – рычаг. С помощью него можно включать разные части спирали резисторов. На рисунке показан принцип работы рычажного реостата.

Рычажный реостат изменяет силу тока скачкообразно, в то время как ползунковый реостат меняет силу тока плавно. Если в цепи будет присутствовать резистор, то при перемещении ползунка на ползунковом реостате или при переключении рычага рычажного реостата будет меняться сила тока и напряжение на концах резистора.

Штепсельные

Такие устройства состоят из магазина сопротивлений.

Это набор различных сопротивлений. Они называются спирали-резисторы. При помощи штепселя можно включать или выключать разные спирали-резисторы. Когда штепсель находится в перемычке, то больший ток идет через перемычку, а не через резистор. Таким образом, резистор отключается. Используя штепсель, можно получать разные сопротивления.

Материалы и охлаждение

Основным элементом в устройстве реостата является материал изготовления, по виду которого реостаты делятся на несколько видов:

Электрический ток в сопротивлениях преобразуется в тепловую энергию, которая должна каким-то образом отводиться от них. Поэтому реостаты также делятся по типу охлаждения:

Жидкостные реостаты разделяются на водяные и масляные. Воздушный вид используется в любых конструкциях приборов. Жидкостное охлаждение применяется только для металлических реостатов, их сопротивления омываются жидкостью, либо полностью в нее погружены. Нельзя забывать, что охлаждающая жидкость также должна охлаждаться.

Металлические реостаты

Это конструкция реостата с воздушным охлаждением. Такие модели приобрели популярность, так как легко подходят для различных условий работы своими электрическими, тепловыми характеристиками, а также формой конструкции. Они бывают с непрерывным или ступенчатым типом регулировки сопротивления.

В устройстве имеется подвижный контакт, скользящий по неподвижным контактам, расположенным в этой же плоскости. Неподвижные контакты выполнены в виде винтов с плоскими головками, пластин или шин. Подвижный контакт называется щеткой. Он бывает мостиковым или рычажным.

Такие виды реостатов делят на самоустанавливающиеся и несамоустанавливающиеся. Последний вид имеет простую конструкцию, но ненадежен в применении, так как контакт часто нарушается.

Масляные

Устройства с масляным охлаждением повышают теплоемкость и время нагревания вследствие хорошей теплопроводности масла. Это делает возможным повышение нагрузки на небольшое время, снижает расход материала изготовления сопротивления и габариты корпуса реостата.

Детали, погружаемые в масло, должны иметь значительную поверхность для хорошей отдачи тепла. В масле увеличиваются возможности контактов на отключение. Это является преимуществом такого вида реостатов. Благодаря смазке на контакты можно прилагать повышенные усилия. К недостаткам можно отнести риск возникновения пожара и загрязнение места установки.

Источник

Что такое RC-цепь, как работает и рассчитывается

RC или резисторно-конденсаторная цепь — это состоящая из резисторов и конденсаторов электрическая цепь. Простейшая RC-цепь — это цепь первого порядка. В ее составе один резистор и один конденсатор. Порядок зависит от числа реактивных элементов — конденсаторов или индуктивностей и определяет порядок решаемых при расчете дифференциальных уравнений. Могут использоваться как интегрирующие и дифференцирующие цепи или фильтры.

Частотная характеристика RC-цепи первого порядка

При наличии в схеме реактивного элемента (конденсатора), сопротивление переменному току которого зависит от частоты, RC-цепь может служить в качестве фильтра нижних или высоких частот в цепи переменного тока. Подобная схема является делителем напряжения, сопротивление одного из плеч которого (конденсатора) зависит от частоты приложенного переменного напряжения при неизменности сопротивления другого плеча (резистора).

Сопротивление резистора от частоты не зависит и равно R, сопротивление конденсатора равно (по модулю)

Может использоваться последовательная или параллельная RC-цепь. При последовательном соединении R и C модуль полного (комплексного) сопротивления (импеданса) схемы можно рассчитать по формуле:

Тогда коэффициент передачи фильтра K_п определяется как отношение сопротивления элемента, к которому подключена нагрузка, к полному сопротивлению.

Для фильтра нижних частот (ФНЧ), нагрузка подключена к конденсатору:

Соответственно, для фильтра верхних частот (ФВЧ), нагрузка подключена к резистору:

Из формул следует, что частотная характеристика простейшей RC-цепи определяется произведением RC, которое носит специальное название постоянной времени и имеет размерность времени (измеряется в секундах).

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) рассчитываются для нулевого выходного сопротивления источника сигнала и бесконечного высокого сопротивления нагрузки, т. е. идеального случая. Ниже на рисунке представлены частотные характеристики RC-цепей, используемых в качестве фильтров НЧ и ВЧ.

Одна из характеристик фильтра — частота среза RC-цепи, на которой сигнал ослабевает на 3 дБ, или до уровня 0.707 от уровня входного сигнала. Она равна:

Фильтр низкой частоты подавляет частоты выше F_ср и пропускает частоты ниже F_ср, а фильтр высокой частоты подавляет частоты ниже F_ср и пропускает частоты выше F_ср.

При включении последовательно двух или более RC-цепей можно добиться получения АЧХ с иными характеристиками полосовых и заграждающих фильтров, фазосдвигающих цепей в цепях обратной связи RC-генераторов. Расчет АЧХ подобных цепей удобно производить с помощью онлайн-калькуляторов.

Интегрирующий вариант RC-цепи

Интегрирующая цепь с конденсатором на выходе может служить в качестве интегратора, с выходным сигналом пропорциональным интегралу по времени входного сигнала. Интегрирующая резистивно-конденсаторная RC-цепь должна иметь постоянную времени τ = RC достаточно высокую. Конденсатор на выходе накапливает (интегрирует) входной сигнал, поддерживая уровень мало меняющимся в отсутствие сигнала. Подобные интегрирующие цепи широко применяются для накопления сигнала.

Ниже на рисунке отображена интегрирующая резистивно-конденсаторная цепочка и график ее работы.

Дифференцирующий вариант цепи

Дифференцирующая электрическая RC-цепь, в которой на выходе резистор, может служить в качестве дифференциатора, т. е. устройства, выходной сигнал которого пропорционален первой производной по времени сигнала на входе (устройство дифференцирует входной сигнал). Для этого постоянная времени τ = RC должна быть очень малой. Конденсатор на входе схемы будет реагировать на изменения входного сигнала, а не на его уровень.

При постоянстве сигнала на входе сигнал на выходе дифференцирующего устройства равен 0, поскольку конденсатор заряжается до напряжения сигнала, а на резисторе (выходе схемы) напряжение отсутствует. При возрастании сигнала на входе сигнал на выходе дифференцирующей RC-цепочки положительный, при уменьшении сигнала на входе сигнал на выходе отрицательный.

Переходные процессы в RC-цепи

В электрических устройствах при воздействиях типа переключения коммутационной аппаратуры (ключей, выключателей), включении или отключении источников питания, обрывах и коротких замыканиях, и пр., возникают переходные процессы — цепь переводится из одного стационарного состояния в другое стационарное.

В цепи первого порядка изменения происходят по экспоненте и, хотя теоретически длятся бесконечно долго, на практике принято считать, что переходной процесс в любой RC-цепи первого порядка длится порядка 3-5 постоянных времени.

Параллельная RC-цепь

Параллельная RC-цепь — это цепь, в которой конденсатор подключен параллельно резистору. При постоянном токе сопротивление цепи равно сопротивлению резистора. Если используется цепь переменного тока, то импеданс уменьшается и вычисляется по формуле:

При подключении цепи к источнику тока (или источнику напряжения с высоким выходным сопротивлением) конденсатор срезает переменную составляющую напряжения, оставляя на резисторе постоянную составляющую.

Подобная параллельная подавляющая RC-цепь встроена в простейший детекторный приемник, где параллельно сопротивлению нагрузки (головным телефонам) подключен конденсатор, подавляющий высокие частоты (несущую частоту принимаемой радиостанции).

Другой пример — конденсатор фильтра выпрямителя, также срезающий пульсации напряжения.

Параллельная RC-цепь при подключении к другой цепи может рассматриваться как разветвленная. Расчет таких цепей усложняется и производится на основе законов Кирхгофа.

Интересным примером разветвленной цепи является мост Вина, на основе своей АЧХ обладающий квазирезонансными свойствами и работающий как полосовой фильтр. На частоте

коэффициент пропускания максимален и составляет 1/3. Принцип работы моста Вина используется в схемах RC-генераторов высокой и низкой частоты.

RC-цепи применяются там, где есть необходимость выделить постоянную или переменную составляющую, фронт сигнала, сделать задержку сигнала и т. п. Они широко используются в качестве времязадающих элементов.

Видео по теме

Источник