Электромеханические устройства подразделяются на следующие три основные группы: реле, распределители (промежуточные механизмы) и исполнительные механизмы.
Реле являются важной составной частью многих устройств для дистанционного управления. Их задача заключается во включении или переключении одного или нескольких исполнительных механизмов при подаче определенных команд от передатчика. В зависимости от их расположения в схеме и от выполняемых функций различают реле первичные и промежуточные.
Первичные реле характеризуются высокой чувствительностью и скоростью работы, тогда как менее чувствительные промежуточные реле имеют обычно контакты, приспособленные для переключения большого числа отводов, через которые течет довольно большой ток. Помимо контактных реле, применяют также бесконтактные реле, выполненные из полупроводниковых приборов.
Первичные реле
В зависимости от конструкции и принципа действия эти реле подразделяются на электромагнитные нейтральные, электромагнитные поляризованные, электронные и электромагнитные резонансные.
Нейтральные реле — это устройства, основанные на принципе работы обычного электромагнита. Электрический ток, протекающий через обмотку, возбуждает магнитный поток, притягивающий якорь с контактами, переключающими исполнительные механизмы.
Надежность радиомодельных устройств зависит в большей степени от качества первичных реле, поэтому надо по мере возможности применять реле заводского изготовления. Примером радиолюбительской конструкции может служить субминиатюрное первичное реле массой 3 г (рис. 6.1 а, б).
Недавно в радиомодельном деле стали применять миниатюрные трубчатые реле — герконы (рис. 6.1 в). Контакты расположены в герметически закрытой трубке, заполненной газом. На трубку намотана обмотка, например 200 витков провода 0,12 мм сопротивлением 90 Ом. Масса реле — 9 г, нагружаемость контактов — 3В/0,15÷1А.
Поляризованные реле характеризуются повышенной чувствительностью, стойкостью к сотрясениям и вибрациям (например, двигателя), а также большим быстродействием и возможностью реагировать на различную полярность управляющего сигнала. Принцип работы поляризованного реле основан на действии поляризованного электромагнита, имеющего дополнительное постоянное магнитное поле, получаемое с помощью постоянного магнита.
Электронные реле — это, собственно говоря, составные электронные схемы, содержащие электромагнитное реле (чаще всего нейтральное, реже — поляризованное) и транзистор. Принцип действия электронного реле заключается в использовании свойств транзистора как усилителя электрических сигналов. Таким образом, очень малые изменения в управляющем напряжении или токе на входе схемы вызывают очень большие изменения тока в контуре электромагнитного реле. Иногда реле может быть заменено исполнительным механизмом.
Примеры типовых решений электронных реле приведены на рис. 6.6 и 6.7.
Электронные бесконтактные реле применяются главным образом в цифровых и аналоговых системах управления, а также в специальных устройствах. Они построены на полупроводниках и отличаются высокой стабильностью, надежностью действия и малой массой. Реле этого типа рассмотрены в гл. 7.
Резонансные реле — это устройства, реагирующие только на сигналы определенной частоты. Конструкция реле может опираться на явление электромеханического или электрического резонанса. В первом случае это будут механические системы, возбуждаемые переменным магнитным полем, во втором — это будут электронные реле с электрическими фильтрами разного типа.
Резонансные вибрационные реле1 — это электромеханические устройства, очень близкие к резонансным частотомерам. Чаще всего применяемые резонансные реле отрегулированы так, что при отсутствии сигнала от передатчика контакты не замыкаются. Контакты замыкаются лишь тогда, когда резонирующий язычок начинает вибрировать с большими отклонениями (амплитудой), а именно с момента получения команды определенной частоты. Замыкание контактов происходит в ритме частоты сигнала. Получаемый пульсирующий ток подается на промежуточное реле (рис. 6.2 а) или исполнительные механизмы (см. рис. 7.2 а) через транзисторные усилители. Количество язычков, следовательно, и каналов низкой частоты бывает обычно от 2 до 15, но чаще всего от 4 до 12.
Что касается резонансных реле, то чем больше рабочая частота, тем размер язычков меньше, при этом они более чувствительны (одновременно и к помехам) и более сложны в изготовлении. Реле должно быть установлено в модели так, чтобы его язычки были параллельны приводному валу двигателя внутреннего сгорания, причем весь приемник должен быть амортизирован слоем микропористой резины.
Резонансное реле выполняет роль полосового фильтра, выделяющего низкие частоты сигналов. Наиболее благоприятный диапазон рабочих частот для реле равен 200—300 Гц; при больших частотах необходимо тщательно выбирать конструкционные материалы. Полоса пропускания каждого язычка (канала) равна лишь 3 Гц, что требует от генераторов НЧ в передатчиках стабильности частоты не хуже 1%. В диапазоне частоты от 200 до 300 Гц можно разместить до шести каналов. При желании увеличить надежность действия резонансного реле надо расширить междуканальные интервалы (например, до 30 Гц), а также увеличить полосу пропускания каждого язычка до 6 Гц путем увеличения мощности сигнала, питающего катушку реле. Контакты реле должны быть защищены устройствами, ограничивающими их нагрузку при переключении до 3—4,5 В и 0,2 мА, например транзисторными усилителями постоянного тока.
Междуканальная селекция (разница частоты между соседними каналами) может быть равной 20—100 Гц, чаще всего применяют 25 Гц. Встречаются гибкие язычки из пластинок толщиной 0,15—0,2 мм и жесткие толщиной 0,25—0,3 мм. Последние более стойкие к механическим внешним вибрациям, чем гибкие, но нуждаются в большем токе для возбуждения.
Для работы реле на двух каналах низкой частоты одновременно свободные концы язычков подрубают вдоль общей дугообразной или конической линии (рис. 6.2 е, ж).
Добротность язычка аналогично контуру при частоте 300 Гц достигает примерно 50, поэтому полоса пропускания равна 6 Гц. Для верной передачи прямоугольного импульса необходима полоса, равная десятикратной ширине импульса. Это означает, что резонансное реле может работать с прямоугольным сигналом с частотой лишь 0,6 Гц. Следовательно, возможность пропорционального управления в этом случае практически очень ограничена.
Изменение температуры окружающей среды от +5 до +20°С на частоту собственной вибрации стальных язычков практически не влияет. Повышение температуры вызывает понижение частоты собственной вибрации стальных язычков на 1—3 Гц.
Для срабатывания резонансного реле достаточен сигнал на входе приемника 10 мкВ со 100%-ной глубиной модуляции.
Длину язычка выбирают по графику на рис. 6.2 г. Резонансная частота стальных язычков приближенно вычисляется по формуле в герцах
где h — толщина язычка, мм; l — длина язычка, мм.
Следует добавить, что ширина язычка не имеет никакого влияния на частоту резонансных колебаний при условии, что эта ширина постоянна по всей длине. На практике она чаще всего равна 1,5—3 мм, а интервал между язычками равен 0,3—1,2 мм. На частоту колебаний язычка несколько влияет конструкция электромагнита реле. Поэтому окончательную настройку язычков на резонансные частоты практически выполняют экспериментальным путем с использованием генератора звуковой частоты. Язычки настраивают на резонансную частоту, укорачивая их длину (чем они длиннее, тем меньше частота, и наоборот); для этого небольшим напильником подпиливают капельки олова, находящиеся снизу на свободных концах язычков, уменьшая таким образом их массу.
Если полоса передачи язычка равна 5—6%, достаточен электронный генератор звуковой частоты в передатчике. Если полоса уже примерно 1—2%, то необходимы камертонные или элекронные генераторы специальной конструкции, описанные в §.4.
Язычки можно выполня)ь как из пластинок, так и из стержней магнитных материалов. На практике более надежными оказались пластинки.
Примерная конструкция субминиатюрного резонансного реле для восьмиканальных схем приведена на рис. 6.3. Надо обратить внимание на наличие в реле постоянного магнита и на правильную его установку.
Контакты должны быть упругими и самоочищающимися. Лучше всего выполнять их из серебряных пластинок 0,2X1 мм или же из серебряной проволоки.
Для получения наиболее четкой резонансной характеристики реле и притом близкой в диапазоне частот всех каналов его катушку шунтируют конденсатором постоянной емкости около 1—3 мкФ (им может быть электролитический конденсатор). В зависимости от направления включения концов катушки в цепь транзистора меняется чувствительность реле.
Большое сопротивление перехода между язычком я постоянным контактом (60—90 кОм) вынуждает пользоваться конденсаторами, шунтирующими эти контакты, причем с большой емкостью — не менее 50 мкФ. Благодаря этому выходное сопротивление падает до 100—300 Ом, но и оно слишком велико для непосредственного подсоединения электрического микродвигателя, имеющего сопротивление 3—5 Ом. Поэтому используют промежуточные усилительные схемы — транзисторные или релейные.
Поверхность язычков лучше полностью посеребрить или же позолотить. Так изготовляли и изготовляют заводские реле. В последнее время применяют язычки со слоем золота или серебра, нанесенным (толщиной 1,5 мкм) только в месте контактирования с верхним контактом. Этим достигается меньшая чувствительность язычков к деформациям под влиянием высоких или низких температур окружающей среды, в этом случае нет внутренних напряжений между стальным сердечником язычка и наружной пленочкой золота или серебра.
Интересный конструктивный вариант миниатюрных резонансных реле показан на рис. 6.4.
Время срабатывания этого резонансного реле равно до 0,5 с, тогда как реле LC-фильтром замыкает контакты через 20—30 мс и размыкает через 10—20 мс.
На рис. 6.5 показаны схемы с применением герконов. Резонансные реле дают возможность получения простейшего способа создания многоканальных аппаратов в любительских условиях без применения специальных измерительных устройств. Сами язычки выполняют роль стрелок частотомера. Кроме того, многоканальные аппараты этого типа имеют малые размеры.
Электронные реле (резонансные) — это весьма распространенные транзисторные схемы в радиомодельной технике.
Параллельный резонанс
Сигналы звуковых частот поступают через развязывающий резистор R на базу транзистора, в цепи которого расположен резонансный LC-контур (рис. 6.6 а).
Параллельный резонансный LC-контур оказывает очень малое сопротивление всем частотам, за исключением резонансной, на которую он настроен. Поэтому когда частота сигнала отличается от резонансной частоты LC-контура, на его выходе практически не будет никакого выделенного напряжения. Контур замыкает выход фильтра, и все напряжение падает на резисторе R. Это напряжение появится тогда, когда частота сигнала будет равна резонансной частоте LC-контура.
Без сигнала транзистор практически заперт. В его коллекторной цепи протекает ток со значением не более нескольких десятков микроампер (до 1—2 мА, когда используется резистор R1 на рис. 6.6 б). Напряжение сигнала с резонансной частотой LC-контура (со значением, равным входному напряжению) поступает на базу транзистора, который начинает несколько усиливать его, несмотря на то, что транзистор продолжает оставаться почти запертым. Коллекторный ток увеличивается на несколько микроампер. Тогда на обмотке реле Р в цепи коллектора, которая ведет себя как дроссель НЧ большой индуктивности, появляется некоторое небольшое напряжение НЧ.
Это напряжение поступает через конденсатор С1 на диод Д1, где оно будет выпрямлено, и в отрицательной (относительно общей шины) полярности снова возвратится на базу транзистора. Благодаря этому транзистор откроется несколько больше, станет больше усиливать, вследствие чего на коллекторе появится напряжение низкой частоты с несколько большим значением. Усиленное таким образом напряжение снова через С1 и Д1 попадет на базу транзистора, но значение отрицательного напряжения на базе будет теперь значительно большим. Так будет продолжаться до тех пор, пока транзистор не окажется в состоянии насыщения. Поскольку в состоянии насыщения сопротивление перехода эмиттер—коллектор в транзисторе не превышает 1 Ом, то все напряжение источника питания приложится к катушке реле. Благодаря такой лавинообразной реакции ток в цепи коллектора возрастет с нескольких микроампер (или миллиампер) до десятка или даже нескольких десятков миллиампер, а электромагнитное реле притянет якорь. Значение этого тока зависит от сопротивления катушки реле и напряжения питания. Чем меньшее напряжение НЧ поступит в резонансный LC-контур, тем лучше будет избирательность фильтра.
LC-фильтр с параллельным резонансом имеет тем большую избирательность, чем больше выходное сопротивление усилителя НЧ. При большем количестве каналов каждый фильтр должен иметь отдельный развязывающий резистор (R на рис. 6.6 а), а нередко и отдельный конденсатор, соединяющий его с выходом усилителя НЧ.
Чувствительность электронного резонансного реле (т. е. наименьшее входное напряжение НЧ, необходимое для срабатывания первичного реле) обычно равна 0,3 В. Чувствительность можно увеличить путем уменьшения значения сопротивления R, но это влечет за собой ухудшение избирательности схемы. На избирательные свойства схемы сильно влияет значение сопротивления нагрузки в коллекторе, в нашем случае — активное сопротивление катушки реле. Чем оно больше, тем меньше усиление схемы по напряжению, тем более эффективно действует контур обратной связи и тем острее характеристика избирательности всей схемы. На практике замена реле с сопротивлением катушки 120 Ом на реле 630 Ом сужает ширину полосы пропускания фильтра с 12 до 3—5%. Однако во втором случае требуется увеличение напряжения питания схемы, например с 4,5 до 6 В.
Благодаря применению обратной связи (через обмотку катушки реле) получена весьма чувствительная и устойчивая схема, не склонная к самовозбуждению. При сопротивлении R=5 кОм схема работает уже при мощности управляющего сигнала 2·10—9 Вт и запускает реле с чувствительностью 40·10—3 Вт. Релейный каскад дает, следовательно, усиление мощности 20·10—6. На рис. 6.6 а представлена также типовая резонансная кривая схемы. Ширина полосы пропускания контура — 80 Гц обеспечивает его достаточную избирательность, а узкая резонансная кривая предотвращает одновременное срабатывание нескольких соседних реле. Недостатком этой схемы является большое входное сопротивление, затрудняющее правильное согласование с выходом усилителя НЧ.
Для схемы электронного реле очень важен правильный подбор диода. Лучше всего работают точечные диоды, имеющие сопротивление в прямом направлении 50 Ом. Если выбрать транзистор в качестве диода, то он должен иметь коэффициент β≥80. Конденсатор С1 регулирует уровень обратной связи. Реле Р — электромагнитное.
Из исследований температурной устойчивости резонансных фильтров следует, что броневые ферритовые сердечники (диаметром 14, длиной 8 мм) без воздушного зазора имеют в диапазоне от 10 до 30°С изменения индуктивности в +4%, при +0,2% на 1°С. Наличие воздушного зазора увеличивает температурную устойчивость, но уменьшает индуктивность. Неплохие результаты дает зазор (бумажная прокладка) в 0,05 мм. Тогда сердечник с катушкой, намотанной проводом 0,1 мм, имеет индуктивность до 60 мГ и коэффициент температурной стабильности +0,04% на 1°С. Добавим, что зазор 0,05 мм уменьшает в 5 раз максимальную индуктивность фильтра.
Конденсаторы фильтров (стирофлексные или металлобумажные) имеют в диапазоне температур от +10 до +30°С изменения емкости в +1% (+0,05% на 1°С).
При низкой температуре окружающей среды происходит понижение чувствительности фильтра. Бороться с этим можно включением термистора (например, 4,7 кОм) между плюсом питания и базой транзистора фильтра или так, как показано на рис. 14.46 б (лучший вариант).
Потенциометры на входах фильтров должны регулировать ширину полосы пропускания каждого из них в диапазоне около 10% (например, 100 Гц для канала 1 кГц и т. д.). Их значение равно 25—50—100 кОм.
Последовательный резонанс
Схема, показанная на рис. 6.7 а, выполняет, по существу, ту же роль, что и описанная выше схема. Достоинством этой схемы является малое входное сопротивление, что облегчает согласование каскада реле с выходом усилителя НЧ. Недостатком этой схемы является худшая избирательность, в связи с чем требуется довольно значительное удаление друг от друга рабочих частот соседних каналов НЧ (не менее 200 Гц).
В схеме, показанной на рис. 6.7а, катушка L1 образует вместе с конденсатором С последовательный резонансный контур. Вторичная обмотка L2 связи отделяет (по постоянному току) транзистор усилителя НЧ от транзистора фильтра. Несмотря на сходство со схемой рис. 6.6 а, эта схема не имеет обратной связи. Когда на контур L/C поступает сигнал резонансной частоты, напряжение НЧ, возбужденное в катушке L1, индуктируется во вторичную обмотку, а оттуда — на базу транзистора. Транзистор при этом насыщается, и ток коллектора ограничивается при этом только сопротивлением обмотки реле.
В более простых схемах без переключателя каналов важное значение для работы схемы имеет диод Д, который должен иметь сопротивление в направлении пропускания не более 220 Ом и шунтирующий резистор R. Значение R в многоканальных схемах может колебаться от 270 до 820 Ом.
LC-фильтр с последовательным резонансом имеет тем большую избирательность, чем меньше выходное сопротивление усилителя НЧ. Поэтому фильтры этого типа не нуждаются в конденсаторах и развязывающих сопротивлениях, соединяющих их с выходом усилителя НЧ. Следовательно, независимо от числа каналов эти фильтры могут быть соединены гальванически в общей точке (см. рис. 14.11 б).
На рис. 6.8 показаны схемы электронных реле с LС-фильтрами.
Промежуточные реле
Эти реле предназначены для выполнения дополнительных и вспомогательных операций в более сложных системах дистанционного управления моделями. Они применяются, когда необходимо увеличить число контактов или время запаздывания при передаче электрических сигналов из одного контура в другой и т. д. Они могут взаимодействовать с различного типа первичными реле. Промежуточные реле подразделяются по характеру работы на разветвляющие и замедляющие. С конструктивной точки зрения эти реле электромагнитные нейтральные, тепловые и электронные (рис. 6.9). Предельные значения тока для серебряных контактов реле:
Разветвляющие реле предназначены для усиления и для умножения выходных сигналов управления. Применяют реле с несколькими группами контактов, например, телефонного типа. Зачастую эффект разветвления получают путем использования соответствующего количества малых реле с одной группой контактов, включенных параллельно.
Замедляющие реле играют очень важную роль в промежуточных и защитных схемах. Их задачей является определение временных зависимостей между отдельными операциями органов управления в модели.
Термин задержка означает, что в реле удлиняется момент его срабатывания (считая от момента включения реле); замедление означает, что удлиняется время отпускания. Задержка и замедление определяют временную характеристику данного реле и могут изменяться в определенных пределах.
Электромагнитные и электронные реле, в принципе, не отличаются от описанных выше первичных реле.
Встречаются также современные субминиатюрные реле массой только в полтора грамма, в которых переключение рабочих контактов происходит вследствие движения капельки ртути в капиллярной трубке под влиянием температуры нагревателя (рис. 6.9 б).
Примечания
1. Обычно называют просто резонансным реле, имея в виду язычковое реле.