Проволочный резистор переменного сопротивления с чертежами и документацией

Содержание

Введение

1. Общие сведения о потенциометрах

1.1. Назначение

1.2. Классификация потенциометров и их конструктивные особенности

1.3. Основные параметры переменных резисторов

1.4. Материалы, применяемые при изготовлении потенциометров

2. Расчет потенциометров

2.1. Расчет линейного потенциометра

2.2. Расчет профиля каркаса

3. Обоснование применяемых конструктивных решений и выбора применяемых материалов

4. Описание конструкции по сборочному чертежу

Заключение

Перечень ссылок

Приложение А

Приложение Б

Введение

Переменные резисторы на сегодняшний день являются одними из самых распространенных элементов. Они нашли широкое применение в радиоэлектронной, телевизионной, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре.

Потенциометры имеют несложную конструкцию, небольшое количество конструктивных узлов и деталей и являются одними из самых надежных элементов электронной техники. Современные переменные резисторы отличаются высокими техническими характеристиками и надежно работают в жестких условиях эксплуатации.

Разработка переменных резисторов – это решение совокупности сложных технических задач по синтезу проводящих и изолирующих материалов, расчету элементов конструкции и определению оптимальных технологических режимов их изготовления. Правильное размещение переменных резисторов в аппаратуре и выбор оптимального варианта их крепления являются одним из важных моментов при конструировании аппаратуры.

Конструирование и особенно производство потенциометров связано с большими трудностями, вытекающими из предъявляемых к потенциометрам требований. В частности, они должны надежно работать в тяжелых климатических и температурных условиях, при скоростях вращения достигающих несколько тысяч оборотов в минуту, с обязательным сохранением стабильности и высокой точности электрических характеристик.

Назначение

Потенциометр предназначен для плавного или скачкообразного изменения электрического напряжения и определяется как регулируемый делитель напряжения, построенный из активных сопротивлений (проволочных, пленочных, жидкостных и др.).

Потенциометры применяются в схемах вычислительных устройств, в системах автоматического следящего привода и измерительных мостовых схемах.

В большинстве случаев они служат в качестве датчиков угловых и линейных перемещений, преобразуя последние в соответствующие им по величине электрические напряжения.

Конструктивно простейший потенциометр представляет собой электрический проводник (резистивный элемент) с достаточно большим омическим сопротивлением, по которому скользит подвижный контакт, включающий в электрическую сеть любую часть заданного напряжения. Следовательно, с помощью потенциометра, сопротивление которого распределено по некоторому закону, можно не только преобразовать механическую величину в электрическую, но и реализовать требуемую функциональную связь между этими величинами.

Основные параметры переменных резисторов

Для описания свойств переменных резисторов принята определенная система параметров и характеристик, которая дает полную информацию об электрических, конструктивных, эксплуатационных характеристиках, а также о надежности изделия.

Номинальное сопротивление (RH) переменного резистора – это обозначенное на корпусе или указанное в нормативной документации электрическое сопротивление между крайними выводами 1 и 3 резистивного элемента. Оно является исходным для отсчета отклонения фактического значения сопротивления от номинального.

Полное сопротивление переменного резистора RП – это сопротивление резистивного элемента, измеренное между выводами 1 и 3 при установке подвижной системы в крайнее положение. Полное сопротивление резистора обычно несколько отличается от номинального сопротивления, на которое настраивается производство резистора, вследствие отклонений в технологическом процессе производства изделий. Разница между номинальным и полным сопротивлением, выраженная в процентах по отношению к номинальному значению, называется отклонением от номинального сопротивления. Это отклонение не должно превышать некоторого допускаемого значения.

Допускаемое отклонение сопротивления резистора ΔR – отклонение полного сопротивления от номинального, находящееся в пределах, установленных нормативной документацией. Значение допускаемого отклонения указывается в процентах. Переменные резисторы могут выполняться с допускаемыми отклонениями сопротивления ±5, ±10, ±20 и ±30 %.

Регулирование сопротивления переменного резистора осуществляется за счет перемещения подвижного контакта по поверхности резистивного элемента. Электрическое сопротивление, между выводом 1 резистивного элемента и выводом 2 подвижного контакта называется установленным сопротивлением переменного резистора. Значение установленного сопротивления изменяется при перемещении подвижной системы резистора. Для переменных резисторов нормируются следующие значения установленного сопротивления в определенных положениях подвижной системы.

Минимальное сопротивление Rмин переменного резистора – это установленное сопротивление, измеренное при доведении подвижной системы до соответствующего упора при вращении оси против часовой стрелки. Для резисторов, не имеющих упоров, минимальное сопротивление соответствует наименьшему значению установленного сопротивления.

Минимальное сопротивление соответствует положению подвижной системы, когда контакт соприкасается с поверхностью контактной площадки резистивного элемента. При перемещении подвижной системы резистора в момент, соответствующий переходу подвижного контакта с контактной площадки на токопроводящий слой резистивного элемента, возможно резкое изменение установленного сопротивления, называемое начальным скачком сопротивления.

Начальный скачок сопротивления Rн.с. – значение сопротивления, начиная с которого имеет место плавное увеличение сопротивления, пропорциональное перемещению подвижного контакта. Обычно начальный скачок сопротивления имеет место, когда подвижный контакт сходит с контактной площадки. Сопротивление при этом увеличивается от минимального Rмин до Rн.с. Значения минимального сопротивления принято выражать в омах, а начальный скачок в долях или процентах номинального сопротивления резистора.

Регулирование сопротивления переменных резисторов происходит при изменении положения подвижной системы. Большинство переменных резисторов имеет ограниченный угол поворота или ограниченный ход (для движковых резисторов) подвижной системы. При этом различают механический, электрический и рабочий угол поворота или ход подвижной системы переменного резистора.

Механический угол поворота αп – полный угол поворота подвижной системы переменного резистора от упора до упора.

Электрический угол поворота αэ – угол поворота подвижной системы, в пределах которого происходит изменение электрического сопротивления переменного резистора.

Рабочий угол поворота αр – угол поворота подвижной системы, в пределах которого воспроизводится заданная функциональная характеристика переменного резистора.

В реальных конструкциях переменных резисторов обычно выполняется условие αп > αэ > αр .

Функциональная характеристика – зависимость установленного электрического сопротивления от положения подвижной системы – является важнейшей характеристикой переменного резистора. Она показывает зависимость сопротивления между подвижным контактом и выводами 1 или 3 резистивного элемента от угла поворота или перемещения регулировочного органа резистора. По характеру функциональной зависимости переменные резисторы делятся на линейные и нелинейные.

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем изменении угла поворота подвижной системы резистора изменение установленного сопротивления может быть различимо. Разрешающая способность переменных проволочных резисторов зависит от числа витков резистивного элемента и определяется тем наименьшим перемещением подвижного контакта, при котором происходит различимое изменение значения установленного сопротивления (чем больше витков, тем меньше скачки установленного сопротивления и выше разрешающая способность).

Собственные шумы. На выводах любого резистора всегда существует переменное напряжение, характеризующееся непрерывным широким спектром и примерно одинаковой интенсивностью всех составляющих. В проволочных резисторах появление шумового напряжения связано с тепловым движением свободных электронов.

Шумы перемещения подвижной системы являются важным параметром переменного резистора и в значительной мере определяют возможности применения резистора того или иного типа в конкретной схеме. При перемещении подвижной системы резистора на закономерное изменение установленного сопротивления в соответствии с заданной функциональной характеристикой накладывается некоторая переменная составляющая. Если между выводами 1 и 3 резистора приложено некоторое напряжение, то в процессе регулирования снимаемое с выводов 2 и 3 выходное напряжение будет содержать переменную составляющую помех, называемую напряжением шумов перемещения подвижной системы переменного резистора. Шумы перемещения особенно характерны для непроволочных переменных резисторов.

Номинальная мощность и предельное напряжение. Под номинальной мощностью Рн понимается максимально допустимая мощность, которую резистор может длительное время рассеивать при непрерывной электрической нагрузке в заданных условиях, сохраняя параметры в установленных пределах.

Ограничивающими факторами при работе резистора являются температура нагрева и максимальное напряжение. С повышением температуры окружающей среды теплоотдача ухудшается, происходит перегрев резистора сверх допустимой температуры, в результате чего появляется необходимость снижения электрической нагрузки, т. е. уменьшения рассеиваемой мощности. Иными словами, фактическая мощность рассеяния связана с окружающей температурой и условиями эксплуатации. Обычно приводятся зависимости мощности от температуры, по которым выбирается электрическая нагрузка в зависимости от условий использования резистора.

Мощность, которую может рассеивать резистор, зависит от конструкции и физических свойств примененных материалов. Чем выше теплостойкость конструкционных и резистивных материалов, тем выше рассеиваемая мощность для данного объема резистора.

Предельное рабочее напряжение – максимальное напряжение для данного типа резистора, которое устанавливается, исходя из его конструкции, размеров и условий обеспечения длительной работоспособности.

При нормальном и повышенном атмосферном давлении предельное напряжение на резисторе ограничивается тепловыми процессами в резистивном элементе и электрической прочностью резистора, а при пониженных давлениях основным ограничивающим фактором является электрическая прочность, которая уменьшается со снижением атмосферного давления. Здесь возможны электрический пробой или поверхностное перекрытие. При очень низких давлениях электрическая прочность возрастает, так как число носителей зарядов в окружающей среде падает.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора характеризует относительное изменение сопротивления при изменении внешней температуры на 1 К. ТКС резистора зависит в основном от температурного коэффициента материала резистивного элемента.

Износоустойчивость – способность резистора сохранять свои параметры в определенных пределах при многократных вращениях подвижной системы. Это одна из основных эксплуатационных характеристик переменных резисторов.

Количественно износоустойчивость оценивается числом циклов перемещения подвижной системы в течение срока службы при сохранении стабильности параметров в пределах установленных допусков и определяется в основном конструкцией, материалом и формой подвижного контакта и резистивного элемента и контактным давлением. Циклом называется перемещение подвижной системы от упора до упора и обратно.

При вращении подвижной системы происходит износ как самого резистивного элемента, так и подвижного контакта. Этот процесс тем интенсивнее, чем больше контактное усилие. Отсюда следует, что для повышения износоустойчивости необходимо снижать контактное давление, но в этом случае вследствие уменьшения момента вращения подвижной системы снижается стойкость к механическим воздействиям. Поэтому очень трудно соблюсти требование высокой износоустойчивости при сохранении механической стойкости.

Для точных потенциометров, работающих в следящих системах, характерны низкие контактные давления соответственно малые моменты вращения. Их износоустойчивость достигает 105 – 107 поворотов, но при этом вибрационная и ударная стойкость ниже. Регулировочные резисторы общего применения обладают хорошей механической стойкостью, но их износоустойчивость ниже и лежит в пределах 5000 – 50 000 циклов. Подстроечные резисторы имеют износоустойчивость 500 – 1000 циклов. [1,3]

Материалы, применяемые при изготовлении потенциометров

Основным элементом конструкций переменных проволочных резисторов является ПЭ, состоящий из провода (изолированного или неизолированного), намотанного на изоляционный каркас. Скользящий контакт перемещается по предварительно зачищенному (при использовании изолированной поволоки) участку элемента таким образом, чтобы не нарушалось контактирование.

Основные электрические параметры резистора обусловлены свойствами проводящих и контактных материалов, используемых в его конструкции. Рассмотрим свойства материалов, наиболее широко применяемых в конструкциях переменных проволочных резисторов.

Проводящие материалы.

Для обеспечения высоких эксплуатационных параметров проволочного резистора необходимо, чтобы проводящий материал обладал следующими свойствами: высокой стабильностью удельного сопротивления во времени, малым ТКС, высокой коррозионной устойчивостью, малой термоэ.д.с. относительно меди, способностью протягиваться в провод диаметром в десятые – сотые доли миллиметра. Комплексом перечисленных свойств обладают специальные сплавы на основе никеля, хрома, меди, марганца, а также сплавы на основе благородных металлов. Кроме того, проводящий материал должен иметь малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с материалом скользящего контакта. Это требование особенно важно при выборе материалов для низкоомных резисторов, поэтому наряду со сплавами из неблагородных металлов в качестве проводящих материалов стали использоваться сплавы с палладием, серебром и золотом.

Для особо ответственных конструкций переменных проволочных резисторов используют сплавы золота и серебра, имеющие хорошие контактные свойства и высокую коррозионную стойкость; однако такие сплавы применяются ограниченно вследствие их высокой стоимости.

Контактные материалы.

Регулирование сопротивления резистора обычно осуществляется с помощью пружин со скользящим контактом. Скользящим контактами обычно служат части пружины, которые непосредственно соприкасаются с ПЭ или токосъемным кольцом, обеспечивая электрический контакт со средним выводом резистора. Скользящий контакт может выполняться совместно с пружиной из того же материала или в виде специальной накладки из другого материала, которая надежно крепиться к пружине; в ряде конструкции скользящим контактом служит металл, наносимый на пружину в местах контактирования.

Материалы скользящих контактов должны обладать следующими свойствами: малым удельным объемным сопротивлением, высокой коррозионной стойкостью при повышенной температуре и влажности, высокой эрозионной стойкостью и стойкостью против сваривания, малой термоэ.д.с., устойчивостью к спеканию контактов, высокой износоустойчивостью в паре с проволокой ПЭ, а также малым, стабильным во времени контактным сопротивлением в паре с токосъемником и ПЭ. Перечисленным требованиям удовлетворяют некоторые редкие металлы, а также благородные металлы и сплавы на их основе.

Материалы, из которых выполняются упругие элементы контактных систем резисторов (пружины и т. п.), должны обладать хорошими упругими свойствами, стабильными во времени, и при воздействии повышенных температур иметь малую термоэ.д.с. относительно меди, высокую коррозионную стойкость, высокую износоустойчивость в паре с материалом ПЭ. В качестве материала для контактных пружин проволочных резисторов часто используются оловянно-фосфористая бронза марок БрОФ 6,51,5 и БрОФ 40,25 и кремниевомарганцевая бронза марки БрКМц, медно никелевый сплав нейзильбер, а также сплавы из благородных металлов.

Каркасы ПЭ резисторов выполняют из керамики, термостойких пресс-материалов (АГ4, К-211-3), секлотекстолита СТ- и СКМ1, электротехничес-кого картона и т. п. Крепление проволоки на каркасах, а также приклейка ПЭ к корпусам или стойкам осуществляется лаками К47, К-57, КО815, клеем БФ, клеем на основе эпоксидных смол ЭД5 и ЭД6.

При герметизации резисторов используют компаунды на основе смол ЭД5, ЭД-6, Т10 с различными наполнителями. Для выводов резисторов используют медную, латунную или никелевую проволоку, покрытую серебром, золотом или оловянно-свинцовыми припоями; а также монтажные провода различных марок.

Для изготовления различных элементов конструкций широко используют фторопласт4, кремнийорганические резины марок 14р2 и 14р6, полиамидные смолы и другие изоляционные материалы. [1,2,5]

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован и рассчитан однооборотный проволочный резистор переменного сопротивления. Каркас был спроектирован таким образом, чтобы реализовать заданный по условию логарифмический закон изменения величины сопротивления.

Материалом для каркаса выбран текстолит на шифоне, а материалом обмотки потенциометра – нихром.

Наиболее эффективным направлением дальнейшего повышения надежности переменных проволочных резисторов является создание и применение новых резистивных и каркасных материалов, отвечающих непрерывно возрастающим требованиям.

Немаловажную роль играют и материалы корпуса. Применение более прочных металлических и керамических материалов приведет к повышению механической и температурной стойкости. Важным аспектом надежности переменного резистора является герметичность корпуса, а значит применения более качественного клея и поиск более эффективного конструктивного решения.