Badanie elementów przełączających
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi elementami przełączającymi, ich budową, zasadą działania, wadami i zaletami.
Należy znać zasadę działania i budowę: przekaźnika, przełącznika migowego, przełącznika typu IZOSTAT, kontaktronu i transoptora
1. Budowa przekaźnika elektromagnetycznego
2. Rodzaje zestyków i ich symbole graficzne
3. Rodzaje przekaźników kontaktronowych
4. Budowa i zasada działania wybranego elementu przełączającego
W układach automatycznej regulacji i sterowania otwartego wartości sygnałów wejściowych i wyjściowych (wykonawczych) przyjmują często tylko dwa (lub trzy) poziomy, oznaczone umownie przez 0 i 1. Przejście z jednego poziomu sygnału na drugi następuje skokowo (w sposób nieciągły). Takie sygnały nazywa się dwustanowymi (binarnymi) czy też trójstanowymi, a urządzenia w których te sygnały występują - urządzeniami lub elementami przełączającymi. Jeden z dwóch lub trzech możliwych, na wyjściu z tych elementów, stanów jest wywołany istnieniem sygnału na wejściu lub jego brakiem.
Elementy przełączające można podzielić na dwie grupy:
- bezstykowe elementy przełączające,
- stykowe elementy przełączające.
Bezstykowe elementy przełączające nie mają żadnych ruchomych części, co decyduje o ich trwałości, niezawodności i szybkości działania. Szczególnie rozpowszechnione są elektroniczne i pneumoniczne bezstykowe elementy przełączające.
Stykowe elementy przełączające są wyposażone w tzw. styki oraz mechanizm, zawierający części ruchome, służący do zmiany stanu styków (zwarte lub rozwarte). Pomimo szybkich postępów w technologii elementów bezstykowych, zwłaszcza elektronicznych, przełączające urządzenia stykowe są nadal powszechnie stosowane. Dotyczy to przede wszystkim układów sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń oraz układów sterowania ręcznego. Rolę tę spełniają przede wszystkim różnego rodzaju przełączające elementy stykowe – np. przekaźniki. Stanem przekaźnika nazywamy stan zwarcia lub rozwarcia styków lub położenie obojętne dla elementów trójstanowych.
Ze względu na powszechność stosowania energii elektrycznej, najważniejsze miejsce wśród elementów przełączających zajmują elementy stykowe o napędzie ręcznym i elektromagnetycznym. Pierwsze z nich nazwane są, zależnie od budowy i zastosowania, łącznikami, przyciskami, wyłącznikami itp. Elementy o napędzie elektromagnetycznym nazywane są przekaźnikami lub stycznikami. Do najważniejszych części przekaźników i łączników stykowych zaliczyć należy styki. Zetknięcie styków umożliwia, bowiem przepływ prądu w obwodzie elektrycznym.
Zestyki elektryczne mogą być rozłączne i nierozłączne. Elementem zestyku są styki i styczki. Ich definicję określa PH-70/E-95500. Zestyk jest to zestaw dwóch lub większej liczby współpracujących z sobą styków, służący do zamykania lub otwierania obwodu elektrycznego. Styk jest to element przewodzący zestyku odizolowany od pozostałych elementów zestyku w stanie braku styczności z tymi elementami. Styczka jest to część styku przeznaczona do bezpośredniego współdziałania z odpowiadającą jej częścią innego styku w celu spowodowania styczności. Wśród zestyków wyróżnia się zestyk zwierny
(normalnie otwarty), zestyk rozwierny (normalnie zwarty) i zestyk przełączny- (po zadziałaniu przekaźnika środkowa sprężyna stykowa przemieszczając się traci styk z dolną sprężyną by zewrzeć się z górną). Zmiana stanu zestyku następuje pod wpływem siły mechanicznej. Styczki zestyków wykonuje się w postaci nitów stykowych umieszczonych na sprężynach stykowych. Gdy styki są zwarte, ich powierzchnie są dociskane do siebie z pewną siłą, zwaną naciskiem stykowym. Pod wpływem tej siły powierzchnie styków odkształcają się, zwiększając na ogół powierzchnię styku. W razie zanieczyszczeń powierzchni styków pyłem lub tlenkami, połączenie elektryczne styków jest możliwe dopiero po uprzednim ich przetarciu. Dlatego jeżeli chce się uzyskać małą rezystancję styku, powierzchnie zestyków powinny być czyste, a nacisk styków możliwie duży. Większość zespołów stykowych ma taką konstrukcję mechaniczną, która umożliwia samoczyszczenie się styków. Są to tzw. styki samoczyszczące. Styki te pracują w ten sposób, że po ich zwarciu siła dociskająca powoduje wyginanie sprężyn stykowych i wzajemne przesuwanie się (poślizg) powierzchni stykowych. Na rysunku poniżej przedstawiono zasadnicze rodzaje styków: punktowe (a, b, c), liniowe (d), płaskie (e) i krzyżowe (f). Styki punktowe stosuje się najczęściej w przekaźnikach teletechnicznych, płaskie - w przekaźnikach silnoprądowych.
Styków liniowych używa się m.in. w konstrukcjach dużych styczników, W celu zwiększenia pewności połączenia stosowane są styki podwójne, umieszczone na jednej odpowiednio ukształtowanej sprężynie stykowej. Styki rtęciowe - przechyłowe (g) - mają bardzo dobre właściwości elektryczne w zakresie dużych prądów. Łuk elektryczny nie powoduje w nich uszkodzeń styku, parująca bowiem w czasie trwania łuku rtęć znowu się skrapla. Na skutek przechylenia banki rtęć przemieszcza się, otwiera lub zamyka obwód elektryczny miedzy końcówkami. Zestyki rtęciowe mogą być wykonywane jako zwierne, rozwierne lub przełączne. Styki tego rodzaju stosuje się najczęściej do włączanie i wyłączania obwodów dużej mocy, np. urządzeń grzejnych. Konstrukcję styku migowego przedstawiono na rys. (i). Dzięki odpowiednio ukształtowanej sprężynie stykowej, przerzucenie zestyku z jednego połączenia w drugie następuje gwałtownie po przekroczeniu pewnej siły nacisku. Zestyki hermetyczne stosowane w przekaźnikach kontaktronowych pokazano na rys.h Zestyk ten stanowią dwie pozłacane sprężyny płaskie wykonane z materiału ferromagnetycznego, umieszczone w szczelnej próżniowej obudowie. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, pochodzącego od układu sterującego (cewka lub magnes trwały), sprężyny te przyciskają się (zmniejszają oporność magnetyczną obwodu) i dają dobre połączenie elektryczne.
Od styków wymaga się: dużej trwałości, pewności połączenia, małej rezystancji przejścia i odporności na wpływy zewnętrzne. W pracy zestyku można wyróżnić trzy etapy: zwieranie styku, otwarcie i rozdarcie. Podczas zamykania i otwierania się zestyków zachodzą następujące zjawiska:
1. Zbijanie się styczek - powstaje wskutek mechanicznego uderzania o siebie zestyków.
2. Zlepianie się styczek - powstaje, gdy siła odciągające sprężyny jest za słaba, a powierzchnia styczki jest bardzo gładka i czysta. Siła zlepiania pochodzi od oddziaływania jonów górnych warstw siatki strukturalnej metalu stykowego przy dużym zbliżaniu powierzchni styczek. Zjawisko to najczęściej występuje w zestykach kontaktronów.
3. Zgrzewanie się styczek - występuje wtedy, gdy wskutek przepływu prądu przez zestyk metal zostanie doprowadzony do stanu płynnego. Dzieje się to wtedy, gdy prąd osiąga w miejscu zestyku nadmierną gęstość. Innym powodem zgrzewania mogą być wyładowania łukowe w szczelinach między stykami. Zjawiska te występują najczęściej podczas przełączania obwodów zawierających indukcyjność lub pojemność.
4. Elektrotermiczne zużywanie się zestyków - związane jest ze zjawiskiem wyładowań w gazie między styczkami, które są w tym procesie elektrodami, Styczka stanowiąca biegun dodatni napięcia zasilającego jest anodą, a połączona z biegunem ujemnym jest katodą. Nośnikami ładunków są w tych procesach elektrony lub jony dodatnie. W wyniku tego procesu może nastąpić wyładowanie łukowe i wędrówka materiału stykowego. Zaobserwować można wtedy na styczkach przyrost lub ubytek metalu. Ubytek ma postać jednego lub wielu wgłębień, tzw. kraterów, przyrost tworzy kopułki lub ostrza o różnych wymiarach i kształtach. Wędrówka materiału stykowego może być pochodzenia mechanicznego, mostkowego lub łukowego. Wędrówka mechaniczna pochodzi od uderzeń zestyków o siebie; w czasie tego grudki materiału stykowego powodują powstanie nierównomierności styków. Wędrówka mostkowa powstaje wtedy, gdy w czasie otwierania lub zamykania zestyków obszar stykania się zestyków jest tak mały, ze gęstość płynącego prądu powoduje stopienie metalu. Płynny metal tworzy między styczkami mostek przewodzący prąd. Prąd płynący przez mostek zwiększa jego temperaturę, powodując nawet wybuchowe wyparowanie metalu i przerwanie mostka. Jedna z elektrod traci przy tym metal, a na drugiej go przybywa. Po wielu wyładowaniach na jednej z elektrod (anodzie) tworzą się wgłębienia, a na drugiej elektrodzie powstają ostrza odpowiadające tym wgłębieniom lub przyrosty o innych kształtach. Wędrówka materiału stykowego następuje również podczas wyładowań łukowych. W tym przypadku przyrosty powstają na anodzie, a ubytki na katodzie.
Opisane zjawiska powodują niszczenie powierzchni styków zasilanych napięciem stałym. Przy przełączaniu obwodów zasilanych napięciem przemiennym oba styki w zasadzie jednakowo się zużywają i materiał stykowy przenosi się z jednego styku na drugi i na odwrót. Szczególnie szkodliwe dla pracy zestyku są jego drgania (zwieranie i rozwieranie), powstające podczas zwierania zestyku. Powstające wówczas wyładowania iskrowe powodują szybkie niszczenie powierzchni styków. Ochrona zestyków polega przede wszystkim na wyeliminowaniu iskrzenia na stykach lub znacznego ich ograniczenia. Osiąga się to przez stosowanie szybko zwierających się zestyków oraz tzw. układów gasikowych.(układy szeregowe RC).
Konserwacja styków układów przekaźnikowych polega na okresowym czyszczeniu styków, zwykle czystym alkoholem etylowym oraz regulacji nacisku sprężyn stykowych. Urządzenia z wyraźnie uszkodzonymi powierzchniami styczek należy wymienić na nowe.
Materiały używane do wyrobu styków można podzielić na trzy grupy:
a) dla małych prądów - stosuje się metale szlachetne: srebro, srebro złocone, platynę oraz ich stopy,
b) dla średnich prądów (do kilku amperów) najodpowiedniejsze są stopy: srebro-pallad, srebro z tlenkiem kadmu, platyna-iryd, wolfram-molibden, wolfram–platyna-iryd,
c) dla dużych prądów (styczniki) stosuje się tzw. kompozycje, czyli zestawy dwóch składników nie tworzących w praktyce roztworu: jednego o dobrych właściwościach elektrycznych i drugiego o dobrych właściwościach mechanicznych, np. miedź -wolfram, i miedź - molibden oraz srebro-wolfram i srebro-nikiel.
Zestyki powinny wytrzymać bez wymiany około 106 -108 zadziałań, a w stanie zwartym, przy niewielkim nacisku sprężyn, zapewnić styk o możliwie małym i stałym oporze elektrycznym (0,01-0,3 Ω). Materiał użyty na końcówki zestyków powinien się, więc charakteryzować dużą wytrzymałością mechaniczną, wysoką temperaturą topnienia oraz dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym.
Łączniki
Zadaniem łącznika jest dokonanie połączenia (zwarcia) lub przerwy w wybranej linii pomiarowej, sterowniczej lub sygnalizacyjnej. Wśród łączników można wyróżnić łączniki mechaniczne i elektroniczne. Łączniki mechaniczne zawierają zespoły styków zwieranych lub rozwieranych ręcznie za pomocą przycisków, pokręteł dźwigni lub krzywek. Wykonywane są w różnych postaciach - od pojedynczych zestyków do wielowarstwowych (pakietowych), zawierających wiele zespołów przełączających. Łączniki elektroniczne to zwykle różne przyrządy półprzewodnikowe odpowiednio sterowane. Zalicza się do nich tranzystory, tyrystory i triaki. W układach przełączających używa się tranzystorów jednozłączowych i polowych, tyrystorów i triaków w różnych konfiguracjach układowych. Stosowane są one w układach przełączających małych i dużych mocy. Maksymalne opóźnienie między rozkazem wysterowania tyrystora a jego włączeniem wynosi jeden półokres napięcia zasilającego. Innym rodzajem łącznika jest łącznik grupowy. W układzie tym specjalne urządzenie sterujące przepuszcza do obciążenia tylko określoną liczbę półokresów napięcia zasilającego. Przez sterowanie ilością przepuszczanych półokresów napięcia zasilającego można regulować moc doprowadzoną do odbiornika (np. urządzenia grzejnego itp.). Wyzwalanie "grup" sinusoid odbywa się w momentach przejścia przez "zero" przebiegu napięcia zasilającego. Zarówno łączniki synchroniczne, jak i grupowe wskutek wyzwalania tyrystorów w momencie przejścia przez "zero" napięcia zasilającego nie powodują zakłóceń radioelektrycznych.
Przełącznik migowy jest przełącznikiem stykowym. Zetknięcie styków (zwarcie) następuje pod wpływem nacisku na dźwigienkę , która oparta jest na ruchomym trzpieniu wystającym z obudowy przełącznika. Po ustaniu nacisku przełącznik wraca do pozycji neutralnej (tego rodzaju przełączniki występują również w wersji stykowej rozwierno – zwiernej ). Posiada tylko jeden stan stabilny. (Rysunek zestyku migowego w części dotyczącej zestyków)
Zastosowanie - najczęściej jako tzw. przełączniki drogowe na liniach technologicznych informujące np. o obłożeniu taśmy transportującej dany produkt lub brak produktu na taśmie.
Przełącznik IZOSTAT
Przełącznik IZOSTAT jest przełącznikiem wielostykowym, charakteryzującym się tym , że pozostaje w ustalonej pozycji do momentu jej zmiany przez obsługującego. Zbudowany jest w układzie dwóch rzędów styków. Dzięki takiej konstrukcji jeden przełącznik tego typu obsługuje wiele obwodów elektrycznych, posiada dwa stany stabilne.
Zastosowanie -głównie w pulpitach sterowniczych do przełączania rodzajów pracy obwodów elektronicznych lub w najprostszym przypadku jako włącznik odpowiednich układów. W układzie badanym na ćwiczeniu izostat zmiena tryb pracy przełącznika migowego (l - ostrzega przy braku nacisku na dźwignię; 2 -ostrzega przy wystąpieniu nacisku na dźwignię )
Przekaźniki
Przekaźnikiem nazywamy przyrząd lub układ, w którym pod wpływem zmiany wielkości wejściowej następuje skokowa zmiana wielkości wyjściowej. Przekaźniki można podzielić na elektryczne i nieelektryczne. Przekaźniki elektryczne są pobudzane zmianą parametru elektrycznego w obwodzie, natomiast przekaźniki nieelektryczne zmieniają swój stan pod wpływem różnych innych wielkości fizycznych, np. temperatury, ciśnienia itp. Ze względu na charakter konstrukcji przekaźników dzieli się je na elektromagnetyczne, indukcyjne i elektroniczne. Wymagania stawiane przekaźnikom to:
a) wyposażenie w dobre pod względem mechanicznym i elektrycznym styki,
b) szybkie zwieranie i rozwieranie zestyków,
c) duża czułość,
d) niezawodność pracy,
e) duża trwałość mechaniczna i elektryczna.
Wśród przekaźników elektromechanicznych można wyróżnić najczęściej spotykane:
a) elektromagnetyczne obojętne,
b) indukcyjne,
c) kontaktronowe,
d) nieelektryczne.
Do istotnych parametrów przekaźników elektromechanicznych zalicza się:
a) napięcie znamionowe - napięcie zasilania przekaźnika podane przez producenta,'
b) prąd znamionowy - prąd płynący przez uzwojenie przekaźnika przy napięciu znamionowym,
c) czas zadziałania - czas od momentu podania napięcia znamionowego na uzwojenie przekaźnika do chwili zwarcia lub rozwarcia określonych zestyków,
d) czas zwalniania - czas powrotu - czas od chwili odłączenia napięcia zasilającego przekaźnik do chwili zwarcia lub rozwarcia określonych zestyków,
e) czas przelotu - . czas od momentu rozwarcia pierwszego styku w zestyku przełącznym do chwili zwarcia z drugim stykiem zestyku przełącznego,
f) trwałość łączeniowa - największa liczba cykli pracy, którą przekaźnik może wykonać przy określonym obciążeniu zestyków w określonych warunkach nie ulegając uszkodzeniu ani nadmiernemu zużyciu,
g) trwałość mechaniczna - największa liczba cykli pracy przekaźnika składających się z zadziałania i następującego po nim powrotu, którą przekaźnik może wykonać w stanie bezprądowym zestyków nie ulegają uszkodzeniu ani nadmiernemu zużyciu,
h) obciążalność cieplna trwała-zestyku - największa skuteczna wartość prądu, który płynąc trwale przez zestyk nie powoduje nadmiernego nagrzewania się tego zestyku ani jego uszkodzenia.
Ważną grupę stykowych elementów przełączających stanowią przekaźniki elektromagnetyczne neutralne (obojętne), tzn. takie, w których przełączanie zestyków następuje za pomocą elektromagnesu. O zmianie stanu zestyków decyduje wartość a nie kierunek prądu sterującego.
Typowe rozwiązania elektromagnetycznych przekaźników neutralnych przedstawiono na rysunku.
Na rdzeniu stalowym i znajduje się jedno lub kilka uzwojeń sterujących 2. Do jarzma 3 jest przegubowo umocowana kotwica 4. Prąd sterujący, płynący przez uzwojenie 2, wytwarza w rdzeniu strumień magnetyczny, który zamyka się w obwodzę rdzeń – jarzmo – kotwica - szczelina powietrzna - rdzeń, wytwarza siłę magnetyczną przyciągającą kotwicę do rdzenia. Wyłączenie prądu sterującego powoduje zanik strumienia magnetycznego i powrót kotwicy do pierwotnego położenia. Wkręt antymagnetyczny 6 zabezpiecza kotwicę przed "przylepieniem'' się do rdzenia pod wpływem indukcji szczątkowej.
Przekaźnik może być wyposażony w kilka zestyków różnego rodzaju, umieszczonych na jarzmie obok siebie. Po zadziałaniu przekaźnika wszystkie jego zestyki działają zazwyczaj równocześnie.
Charakterystyka statyczna przekaźnika obrazuje zależność prądu roboczego Ir, płynącego przez zestyki przekaźnika, od wartości prądu sterującego Ist w cewce przekaźnika. Charakterystyka ta jest rysowana zazwyczaj dla zestyku zwiernego (rysunek poniżej). Pojawienie się prądu (zestyk zwarty) oznaczono l, a jego brak (zestyk rozwarty) jako 0.
Wartość prądu Ist, po przekroczeniu której następuje przyciągnięcie kotwicy, nazwano prądem zadziałania Izadz/ Wartość, poniżej której kotwica jest zwalniana, nazwano prądem zwolnienia Izwol.
Jeżeli Ist<Izwol, to Ir=0, jeżeli Ist>Izadz to I =1.
Gdy Izwol<Ist<Izadz, wówczas Ir=1 lub Ir=0 zależnie od tego, czy przekaźnik uprzednio miał zestyki zwarte lub rozwarte. ten obszar charakterystyki nazywamy strefą histerezy lub niejednoznaczności.
Ze względu na zakres stosowania wyróżnia się przekaźniki:
- pomocnicze pośredniczące - używane w celu uruchomienia dalszych obwodów sterujących i sygnalizacyjnych,
- sygnalizacyjne - do sterowania obwodów sygnalizacyjnych,
- czasowe - o opóźnionym zadziałaniu lub zwolnieniu; opóźnienie to, w zależności od wykonania, może być stale lub nastawiane, uzyskiwane na drodze mechanicznej lub elektrycznej,
- programowe - stosowane do realizowania programów: mają wiele zestyków przełączanych w kolejności i po czasie przewidzianym w danym programie ,
- zabezpieczające i specjalne.
Ze względu na moc przełączaną przekaźniki podzielono na: małej, średniej i dużej mocy (styczniki). Im większa moc, tym większa powinna być powierzchnia styku oraz siła dociskająca sprężyn. Pociąga to za sobą konieczność zwiększenia siły przyciągającej kotwice i prądu sterującego. Zwiększają się więc także rozmiary całego przekaźnika.
Ze względu na rodzaj prądu sterującego wyróżniamy:
- przekaźniki prądu stałego,
- przekaźniki prądu zmiennego.
Przekaźniki prądu zmiennego umożliwiają zasilanie układów przełączających napięciem zmiennym. Drgania kotwicy, wywołane zmianami wartości chwilowych strumienia magnetycznego, są eliminowane przez zwiększoną bezwładność kotwicy lub dzięki zastosowaniu zwoju zwartego (rysunek). Zwój zwarty, obejmując część rdzenia, powoduje rozszczepienie strumienia magnetycznego i przesunięcie w czasie rozszczepionych części. W rezultacie wartość chwilowa wypadkowego strumienia magnetycznego nie maleje do zera, W celu zmniejszenia strat, spowodowanych prądami wirowymi, obwody magnetyczne przekaźników prądu zmiennego wykonuje się zwykle z blach materiałów o dużym oporze elektrycznym.
Przekaźnik elektromagnetyczny jest to rodzaj przełącznika sterowanego napięciem ( np. 6V ,12V, 24V ,110V ,220V ). Na zaciski cewki podawane jest napięcie znamionowe. Przepływ prądu przez cewkę powoduje powstanie pola magnetycznego. W obwodzie magnetycznym znajduje się rdzeń i ruchoma zwora, do której przymocowane są styki ruchome przekaźnika. Przełączenie styków następuje w wyniku przyciągnięcia przez pole magnetyczne ruchomej zwory.
Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych przekaźników neutralnych
1-rdzeń, 2-zwora, 3-cewna,4-jarzmo,
Sprężyny stykowe przekaźników wykonuje się z brązu fosforowego, brązu berylowego lub krzemobrązu. Przekaźniki przeznaczone do pracy tropiku mają sprężyny stykowe rodowane. Jako materiały izolacyjne między spręży-nami stykowymi są stosowane różne tworzywa, m.in. makrolon (R-15). Trwałość mechaniczna (liczba zadziałań) oraz trwałość łączeniowa przekaźników zależą od ich konstrukcji. Współczesne przełączniki mają trwałość mechaniczną rzędu 10'7 zadziałań. Trwałość łączeniowa zależy od wielkości prądu przełączanego oraz od jego rodzaju (stały, przemienny). Przekaźniki łączące obwody zasilane prądem przemiennym i mają na ogół większą trwałość łączeniową. Za uszkodzony uważa się taki zestyk, który ale dokonuje już czynności łączeniowych przy danym napięciu lub styczki zostały całkowicie zniszczone. Przeciętna trwałość łączeniowa przekaźników wynosi 106...
Borysek12