Site Loader

Содержание

Закон Ома — основа расчетов в цепях электропроводки


 

Закон Ома — основа расчетов в цепях электропроводки  

Хорошо известный всем закон Ома устанавливает связь между напряже­ нием, сопротивлением и током в участке электрической цепи. Согласно ему: величина тока ( I ), протекающего через участок цепи с известным сопротивлением ( R ), зависит от разности потенциалов ( U ) между концами этого участка и численно равна отношению разности потенциалов между концами участка к величине сопротивления этого участка:

I = U / R

В замкнутой электрической цепи электродвижущая сила (Е) равна сумме напряжений на отдельных участках цепи, следовательно, на основании закона Ома общее сопротивление этой цепи:

R = E/ I

Общее сопротивление складывается из внутреннего сопротивления- источ­ ника электроэнергии и сопротивления внешней цепи. Обычно внутреннее сопротивление ( r вн ) имеет относительно малую величину, а сопротивление всей внешней цепи ( r вш ) относительно большое.

Таким образом, согласно закону Ома в замкнутой цепи ток равен:

 

Е

I =————

    (r вн + r вш )

 

и, следовательно, Е = r вн I + r вш I

А так как напряжение на зажимах источника равно:

U = r вш ∙ I , то

U = E- r вн ∙ I.

Т.е. напряжение на выходных зажимах источника электроэнергии, при протекании в замкнутой цепи тока, меньше электродвижущей силы источ­ ника электроэнергии на величину внутреннего падения напряжения в источ­ нике. Произведем теперь некоторые практически важные расчеты с исполь­ зованием введенных величин и закона Ома.

 

 

 

Конспект урока по физике на тему «Связь силы тока и напряжения. Закон Ома для участка цепи»

Конспект урока по физике по теме

«Связь силы тока и напряжения. Закон Ома для участка цепи»

8 класс

Цель обучения: изучение зависимости силы тока в участке цепи (проводнике) от напряжения на этом участке и его сопротивления; усвоение аналитического выражения закона Ома для участка цепи; формирование умений строить и читать графики зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении и силы тока от сопротивления при постоянном напряжении.

Ход урока

  1. Актуализация знаний (проводится в ходе опроса учащихся)

  1. Как включается в цепь вольтметр?

  2. Как включается в цепь амперметр?

  1. В какой схеме (1-4) неправильно включен амперметр? ____

  2. В какой схеме (1-4) неправильно включен вольтметр?____

  3. В какой схеме (1-4) выключатель не играет роли?____

  1. Постановка проблемного вопроса

Почему сила тока в сварочном аппарате в десятки миллионов раз больше, чем в электронных часах?

  1. Изучение нового материала

Учащиеся вместе с учителем разбирают опыты по теме «Связь силы тока и напряжения.

Закон Ома для участка цепи», по результату которых делают запись в тетрадях, выводы.

  1. Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

  2. I=, где I- сила тока (А), U- напряжение (В), R- сопротивление (Ом).

  3. Составление «треугольника памяти».

  4. Чем меньше сопротивление вольтметра, тем меньше изменения вызывают они при подключении в цепь.

  5. Вольт-амперная характеристика проводника представляет собой график зависимости силы тока от напряжения.

  1. Использование цепей без нагрузки приводит к недопустимо опасному росту силы тока (короткому замыканию).

  1. Физкультминутка

  2. Решение задач

  1. Из каких элементов состоит цепь на рисунку? Будет ли идти ток через сопротивление R, если ключи 1 и 2 разомкнуть? Будет ли идти ток и через какие элементы цепи, если замкнуть: а)только ключ 1; б) только ключ 2; в) оба ключа?

  1. Заполните таблицу:

Постройте график зависимости тока от напряжения.
  1. Какое сопротивление имеет вольтметр, рассчитанный на 127В, если по нему течет ток, равный 0,02А?

  2. В трамвайной сети напряжение 575В. Средняя сила тока, проходящего по обмотке трамвайного мотора 71А. Каково сопротивление обмотки?

  3. Вольтметр показывает напряжение 2,5В на концах участка цепи сопротивлением 1,4Ом. Включенный в эту же цепь амперметр показывает силу тока 1,8А. Верны ли показания амперметра?

  1. Закрепление знаний

  1. Связь между какими физическими величинами устанавливает закон Ома для участка цепи?

  2. Может ли в проводнике протекать ток: а) очень большой силы при малом напряжении; б) малой силы при большом напряжении?

  1. Рефлексия

Бистро ли я усваиваю определения и формулы? Сколько раз я повторяю то, что нужно хорошо знать?

  1. Дом. задание

  2. Результат урока

Учащиеся узнают формулировку и смысл закона Ома для участка цепи, формулу, выражающую закон; научатся находить значения силы тока, напряжение и сопротивление, связанные формулой закона Ома.

Корта урока (для учащихся)

  1. Актуализация знаний (проводится в ходе опроса учащихся)

  1. Как включается в цепь вольтметр?

  2. Как включается в цепь амперметр?

  1. В какой схеме (1-4) неправильно включен амперметр? ____

  2. В какой схеме (1-4) неправильно включен вольтметр?____

  3. В какой схеме (1-4) выключатель не играет роли?____

  1. Проблемный вопрос

Почему сила тока в сварочном аппарате в десятки миллионов раз больше, чем в электронных часах?

  1. Изучение нового материала

  1. Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

  2. I=, где I- сила тока (А), U- напряжение (В), R- сопротивление (Ом).

  3. Составление «треугольника памяти».

  4. Чем меньше сопротивление вольтметра, тем меньше изменения вызывают они при подключении в цепь.

  5. Вольт-амперная характеристика проводника представляет собой график зависимости силы тока от напряжения.

  1. Использование цепей без нагрузки приводит к недопустимо опасному росту силы тока (короткому замыканию).

  1. Решение задач

  1. Из каких элементов состоит цепь на рисунку? Будет ли идти ток через сопротивление R, если ключи 1 и 2 разомкнуть? Будет ли идти ток и через какие элементы цепи, если замкнуть: а)только ключ 1; б) только ключ 2; в) оба ключа?

  1. Заполните таблицу:

Постройте график зависимости тока от напряжения.
  1. Какое сопротивление имеет вольтметр, рассчитанный на 127В, если по нему течет ток, равный 0,02А?

  2. В трамвайной сети напряжение 575В. Средняя сила тока, проходящего по обмотке трамвайного мотора 71А. Каково сопротивление обмотки?

  3. Вольтметр показывает напряжение 2,5В на концах участка цепи сопротивлением 1,4Ом. Включенный в эту же цепь амперметр показывает силу тока 1,8А. Верны ли показания амперметра?

  1. Закрепление знаний

  1. Связь между какими физическими величинами устанавливает закон Ома для участка цепи?

  2. Может ли в проводнике протекать ток: а) очень большой силы при малом напряжении; б) малой силы при большом напряжении?

  1. Рефлексия

Бистро ли я усваиваю определения и формулы? Сколько раз я повторяю то, что нужно хорошо знать?

Как подключить сварочный балластный реостат


Для стабильного горения дуги необходим сварочный ток определенной величины. Поддерживать вольтамперные характеристики проще с балластным реостатом. Эти устройства встраивают в инверторы, другие унифицированные сварочные аппараты. При использовании простых трансформаторов и выпрямителей создать повышенное сопротивление электротока можно с помощью фабричного или самостоятельно изготовленного баластника. Регулируемое сопротивление обеспечивает ампераж, необходимый для варки заготовок. Применяется в сварочных аппаратах, где нет соответствующих настроек.

Назначение и принцип работы

Качественное выполнение сварочных работ с применением простейших сварочников возможно только при регулировке рабочих параметров выходного тока. Сопротивление должно меняться в необходимом диапазоне, такой эффект достигается с помощью регулятора. Мощность амперного балласта напрямую зависит от количества витков (секций), по которым перемещается бегунок, меняя длину электрической цепи. Рубильник разрывает ее при необходимости.

У балластного реостата для сварочного аппарата две основные функции:

  • дискреция электросопротивления под значения сварочного тока;
  • компенсация вольт-амперных скачков при розжиге дуги, переносе металла.

Набор сопротивлений из константана не критично нагревается при подаче напряжения. По принципу действия реостатное устройство – параллельно соединенные пластины или металлическая пружина. Регулировка длины цепи ступенчатая. В основе работы реостата – физический закон Ома. Электроимпульс высокого напряжения «гасится», натыкаясь на балластное препятствие, ампераж снижается за счет возрастания параметра «R». Балласт сопротивления позволяет работать на высокочастотных токах, сваривать тонкие детали, соединять заготовки из алюминия, нержавеющих сплавов.

Настройки балластного реостата

Главное в качественном процессе сварки – стабильные показатели работы электрической дуги, вернее – ее вольтамперных характеристик. С этим требованием отлично справляются современные инверторы.

Делаются это за счет преобразования тока в два этапа и переключения самого инвертора. Все остальные сварочные аппараты такими характеристиками похвастаться не могут. Поэтому рядом с ними должен обязательно присутствовать балластный реостат.

Он предназначен для ступенчатого контроля работы дуги и компенсации составляющей тока во время подпитки от трансформатора. Нихромовая проволока в схеме параллельного соединения – основной составляющий элемент. Важно, что каждая секция реостата подключается к сети автономно, с помощью рубильника.

У такого реостата всего две рабочие функции:

  1. Регулирование силы тока дискретным образом.
  2. Компенсация постоянной составляющей тока, формирующейся в течение подпитки сварочного элемента с помощью трансформатора.

Производительность и общая эффективность балластного реостата напрямую зависят от количества витков или секций спирали. Ведь каждая из них является элементом цепи, которая разрывается с помощью рубильника.

Цепь последовательная, а соединение секций – параллельное. Такая комбинация дает отличный результат: периодическое подключение к работе каждого из элементов, чтобы регулировать напряжение в сварочном аппарате.

Подключение реостата к сварочной цепи должны быть последовательным к источнику питания.

Если вентиляторов нет, нужно обязательно следить за последовательным включением нескольких реостатов.

Популярнее всех на рынке линейка балластных реостатов под аббревиатурой РБ: их всего пять опций для разных значений тока – его диапазона – минимального и максимального значений.

Предлагаем легкую прогулку по самым востребованным моделям, чтобы ознакомиться с их техническими характеристиками подробнее:

РБ-302

Отличный аппарат в роли компаньона к сварочным агрегатам для регулирования силы тока в процессах полуавтоматической или ручной сварки. Работает параллельно со сварочными выпрямителями и генераторами.

Эта версия предназначена для диапазона электропитания в пределах 27 – 30 В с предельным максимумом до 70 А и минимумом при падении в 30 А.

Реостат снабжен системой воздушного охлаждения. У него неплохой показатель ПВ – продолжительность включения в 60%. Это означает, что длительность сварки не должна превышать 10-ти минут. В противном случае ПВ необходимо снизить.

В этом аппарате регулировка сварочного тока представлена шестью ступенями, которые циклически включаются и выключаются.

Структурные элементы выполнены из самых современных материалов: изоляция, к примеру, сделана из керамических профилированных пластинок, а плато сформировано их специальных жаропрочных проволок фехралевой природы.

РБ-302У2

Эта модель является разновидностью материнского реостата для работы в условиях повышенной влажности или жесткого ультрафиолетового излучения. В итоге с ним можно работать на открытом воздухе в неблагоприятных для обычной аппаратуры условиях.

РБ-306

Эта модель посерьезнее: он не перегревается и намного точнее в регулировании сварочного электропитания, чем РБ-302. Реостат снабжен усовершенствованной системой охлаждения: в корпусе больше отверстий жалюзи, поэтому обдув резисторов интенсивный и эффективный.

Все элементы сопротивления расположены в виде модульной системы. Такой расклад делает диагностику и замену элементов намного легче и точнее. Диапазон значений силы тока значительно шире, а регулировать показатели можно с намного большей точностью.

Это специальные Блоки Балластных Реостатов. Они собираются из элементов РБ-306 для резки металлов электродуговым методом. Это отличное решение для контроля сварочного тока от выпрямителя в аппаратах – автоматах.

Устройство

Основа любого балластника для сварочных аппаратов – металл, выполняющий функцию электробалласта. Величина нагрузки меняется регулятором. Это по сути – подвижный контактный элемент, закрепляемый на линейной поверхности электрического приспособления. Поскольку он ограничивает часть электрической цепи, один из полюсов должен быть с клеммой, чтобы присоединяться к электроду или «массе». Устройство довольно простое, понятное школьникам, изучающим раздел «электричество».

Приспособления секционного типа оснащаются дополнительными рубильниками, включающими секции в общую цепочку. При закрытом положении секции не задействуются, на них не поступает напряжение. При монтаже балластных реостатов большое внимание уделяется корпусу. Он должен выдерживать тепловую нагрузку, создаваемую при работе. На фабричных вариантах все элементы управления, включая тумблеры, обычно расположены на общей панели. Обычно предусмотрены кулерные системы охлаждения, вентиляторы. Они увеличивают рабочий цикл, оборудование не потребуется регулярно выключать или одновременно подключать к сварочному аппарату несколько подобных приспособлений к одному сварочному аппарату.


Схема устройства балластного реостата для сварочного аппарата

Принцип действия и конструкция

Итак, как работает баластник? Говоря простыми словами, ток, беспрепятственно проходящий по цепи, сталкивается с высоким сопротивлением в определенной точке, из-за чего теряет свою величину. «Виновником» высокого сопротивления как раз и является баластник, включенный в цепь. Визуально балластник для сварочного аппарата представляет собой большую пружину со множеством толстых витков. Эта пружина и создает балластное сопротивление. К пружине подключается регулятор, с помощью которого можно изменять значение сопротивления на большее или меньшее, а значит изменять и силу тока. Регулятор представляет собой передвижной контакт, который перемещают вдоль и тем самым уменьшают или увеличивают длину прохождения тока по баластнику. Баластники — это неотъемлемые элементы арсенала любого опытного сварщика.

Как сделать своими руками

Самостоятельно балластный реостат проще делать в виде спирали. Используют мягкую (отожженную) проволоку. Понадобится цилиндрический предмет для навивки. Можно использовать отрезок металлической или пластиковой трубы. Для передвижного контакта подойдет провод от сварочного держателя.

Мало сделать балластник своими руками, его необходимо протестировать. Нужно контакты подключить к амперметру. Остается намотать проволочный отрезок на форму, закрепить на электроизоляционной подставке. Конец скрученной проволоки подсоединяют к источнику питания. Держатель присоединяется к перемещаемому токоведущему элементу.

После замеров силы тока амперметром в разных позициях держателя можно нанести на поставку шкалу с токовыми параметрами. Самодельный балластный реостат по точности уступает фабричному. Открытая модель охлаждается естественным образом. Пользоваться устройством нужно осторожно.

Важно!

Самодельный балластный реостат уступает фабричному по точности и качеству исполнения, поэтому пользоваться устройством нужно осторожно, соблюдая меры безопасности.

Баластник своими руками

Чтобы сделать баластник нам понадобится толстая металлическая проволока. Мы в своей работе использовали медную проволоку. Также нужна цилиндрическая форма (ее можно предварительно сварить из любого толстого металла или взять трубу небольшого диаметра), материалы для передвижного контакта (мы использовали провод от держака сварочного аппарата) и амперметр.

Вокруг предварительно изготовленной цилиндрической формы накручиваем проволоку, витки располагаем на расстоянии не больше сантиметра друг от друга. Один конец такой пружины присоединяем к токоведущей части. К этой конструкции присоединяем наш провод от держака, который будет использоваться в качестве передвижного контакта. Готово! Теперь произведите замеры с помощью амперметра, чтобы понять, как работает именно ваш баластник.

Перед тем, как сделать балластный реостат для сварки своими руками, обратите внимание, что прибор, сделанный своими руками, может работать менее точно, чем устройство с завода. Также соблюдайте технику безопасности, потому что самодельные баластники не спрятаны в металлический корпус и могут крепиться недостаточно надежно, что может привести к печальным последствиям.

Популярные модели

Линейка балластников с маркировкой «РБ» – это 5-ти и 6-ти позиционные варианты с шагом значений от 5-ти до 10-ти ампер. Числовое обозначение соответствует диапазону от минимального до максимального значения сварочного тока.

РБ-302

При полуавтоматической и ручной сварке в режиме от 30 А до 70 А к трансформаторам, выпрямителям, генераторам рекомендуется подключать эту модель сварочного реостата. Продолжительность включения не менее 10 минут, этого времени достаточно для сварки в гараже, дома.

Правила работы и подключения

По ГОСТ РД 03-614-03 необходимо регулярно проверять устройства в аккредитованных лабораториях или сервисных мастерских. При последовательном подключении балластника к сварочному аппарату важно соблюдать несколько правил:

  • условия эксплуатации должны соответствовать заявленным в техдокументации, обычно указывается температурный диапазон от -40 до +45ºС и относительная влажность воздуха не более 80%;
  • имеются ограничения по запыленности и загазованности, они связаны с конструктивными особенностями балластных реостатов, в корпусе предусмотрены вентиляционные пазы, в которые может попасть электропроводная пыль и пары;
  • необходимо следить за нагревом корпуса, при сварке алюминия, некоторых видов нержавейки лучше сразу подключить несколько реостатов или использовать один в 20% диапазона, чтобы обеспечить частичную компенсацию вместо полной.

Правила распространяются на самостоятельно сделанные балластники. Требования электробезопасности при этом ужесточаются.

Удлинитель для сварочного аппарата | Сварка своими руками

Для эффективной работы сварщикам приходится постоянно перемещаться по объекту, а розетка находится только в одном месте, поэтому без удлинителя в большинстве случаев обойтись просто нельзя. Наиболее востребованная длина кабеля, способная сделать вашу работу комфортной 20-40 м, это если говорить в общем. А в частных случаях все подбирается индивидуально.

Теория

Как бы многие из нас не любили физику в школе, именно курс школьной физики потребуется вспомнить, чтобы рассчитать длину нашего удлинителя теоретически. Давайте вспомним, что сопротивление медного проводника рассчитывается следующим образом: R= 0,017 *L/S. Также в нашем случае можно использовать закон Ома для неполной цепи I=U/R.

Расшифруем буквы в наших формулах, которые могут принимать любые значения.

  • 0,017 – удельное сопротивление медного кабеля; априори берется медь, так как у нее наименьшее значение.
  • L- длина удлинителя, мм.
  • S- площадь сечения проводника, мм2.
  • U- номинальное напряжение в электросети, В. Однако следует провести измерение реального напряжения, так как состояние большинства сетей желает лучшего.
  • I — максимальный ток инвертора, А.

Из формулы R= 0,017 *L/S следует простой и очевидный вывод: сопротивление увеличивается при увеличении длины кабеля (при этом наблюдается падение напряжения) и уменьшается при увеличении его сечения. Соответственно, длина и сечение кабеля должны быть подобраны таким образом, чтобы не провоцировать падение напряжения на этом кабеле. Использовать домашние удлинители для подключения бытовой техники категорически не стоит. Производители экономят на сечении жил таких переносок, они уж точно вспыхнут при подключении инвертора. Не стоит также использовать проводники сечением 0,75 мм2 и менее. В целом, следует отметить, что кабеля 2,5 мм2 хватит для уверенной работы на токе 160А, только стоит еще и сделать «пометку на полях», что проводка до розетки должна выдержать такую нагрузку.

Любителей сматывать кабель в катушку при сварке следует предостеречь. Явление фарадеевской электромагнитной индукции, которая неминуемо возникает вокруг проводника с переменным электрическим током, еще никто не отменял. И даже если индукция в катушке будет слишком мала, чтобы привести к нежелательным последствиям, при продолжительной сварке провод все равно нагревается (нормальным считается нагрев до 70 оС) В плотно намотанной катушке кабель не охлаждается и повышение температуры неминуемо приведет к оплавлению изоляции со всеми вытекающими отсюда неприятностями. Сама медь скорее всего останется невредимой, так как у нее высокая температура плавления 1080 оС, а вот изоляция слипнется. Вывод: работайте на размотанном кабеле или, если нет такой возможности, на неплотно смотанном, чтобы был обеспечен теплоотвод за счет естественной циркуляции воздуха.

Практика

Вернемся к вопросу: какого сечения брать удлинитель?

 Раньше бы мы сказали, что если у вас дома хорошая сеть и максимальный ток вашего сварочного аппарата не превышает 160А, то можно взять 1,5 мм2 – этого хватит. Быстрее автоматический выключатель сработает или инвертор уйдет в защиту по перегреву, чем сгорит такой кабель. Проверить данное утверждение очень просто: достаточно 160-амперный аппарат поставить на нагрузочный балласт и выкрутить его на максимальный ток. Кабель длиной 10 м х1,5 мм2 может продержаться долгое время. В нашем случае была произведена выдержка в течение 12 мин (произвольно, это время могло быть больше или меньше). За это время выдержки кабель нагрелся, но он не был таким горячим, что за него невозможно взяться незащищенной рукой (или он задымился). То есть кабель сечением 1,5 мм2 держит нагрузку 160А, но это, конечно, предел и лучше такого не допускать. Однако, если вы не собираетесь «шпарить» целый день «четверкой», такой вариант вполне приемлем.

Почему мы не советуем сегодня брать сечение 1,5 мм2? Очень просто. Потому что не докладывают! Берешь кабель 1,5 мм2, а там оказывается 1,1-1,2 мм2. Вывод: даже если у вас хорошая сеть, берем 2,5 мм2. Могут тоже не доложить, но этого в любом случае хватит для домашних нужд.

Какая длина?

Все зависит от вашей сети и аппарата. Пример из практики. Длина переноски 120-130 м, сварка аппаратом Форсаж 161 от щита и хорошей сети: «тройкой» можно  варить, но достаточно тяжело, а вот электродом ø2,5 мм можно варить уже свободно и даже что-то резать!

Полезный совет

Какую взять вилку и розетку?

Обычная розетка на 16А   и простые качественные вилки при токах свыше 160А горят и плавятся (но это как бы расходные материалы). Когда будете покупать обязательно возьмите с собой магнит в магазин и «пощупайте» им вилку (розетку, правда, вам никто не даст разбирать) – магнитится она или нет? Сейчас много некачественного товара крашенного под медь или латунь.

Читайте также, как подобрать длину и сечение сварочного кабеля.

Удлинитель для сварочного инвертора

При проведении сварочных работ не всегда возможно переместить объект сварки поближе к источнику питания. Сварка в удаленных от розетки местах потребует удлинителя,


зачастую требуется длина 20-30 метров и более. Удлинитель для сварочного инвертора, в теории, является проводником с активной составляющей нагрузки. Сопротивление его, кто помнит из школьной программы, определяется из простой формулы Rпр.= ρ × L / S, а электрические процессы подчиняются закону Ома. В качестве формулы можно использовать ее вариант для неполной цепи I=U/Rпр. так как при использовании подключения к сети ЭДС источника не влияет на результат.
  • ρ – удельное сопротивление проводника, зависит от материала провода. Из доступных материалов наименьшее значение имеет медь.
  • L – длина проводника. В рассматриваемом случае это наш удлинитель.
  • S – площадь сечения провода. Она указывается на маркировке.
  • U – напряжение сети 220в. Но подобное напряжение идеально, практически необходимо замерить реальное значение. От этого зависит правильный выбор удлинителя.
  • I – ток при максимальной нагрузке на инвертор.

Из формулы видна прямая зависимость сопротивления от длины проводника и обратная зависимость от площади сечения. А при возрастании сопротивления падение напряжения на участке цепи возрастает. Вот и все премудрости. Удлинитель для сварочного инвертора не должен оказывать существенное влияние на величину напряжения сети. Падение напряжения на нем должно быть минимально. В любом случае площадь сечения кабеля не должно быть меньше, чем сечение проводки в доме. Не стоит пытаться использовать бытовые переноски. Сечение проводов для бытовых приборов подбирают по минимуму, на дорогой меди можно хорошо сэкономить. Из опыта можно сказать, что сечение провода 2,5мм2 обеспечит безопасность при сварочном токе до 170А, при условии, что выдержит проводка сети. Редко кто в домашних условиях способен работать с подобным током.

Хочется предостеречь любителей удобств. Не стоит наматывать провод удлинителя на катушку. Не стоит забывать о возникновении индукции в кольцевых проводниках. Если возникшее индуктивное сопротивление не повлияет на работу инвертора, то повышение температуры в катушке, за счет дополнительной индуктивности способно расплавить изоляцию на проводе. Если решили намотать, то не делайте плотную намотку, она уменьшит естественную вентиляцию, а значит, ухудшит режим охлаждения.

Не следует бояться нагрева проводов удлинителя. Нормальная температура для проводов считается 70°С, при этой температуре руку обжигает, поэтому если рука выдерживает, то перегрева удлинителя не происходит. Но если при этом отключается инвертор, то подаваемое напряжение слишком мало и следует искать причину. Она не обязательно относится к переноске, скорее беда в низком напряжении питающей сети.

Читайте также


Оренбургский завод ТЭНов >

      Как только стало очевидным, насколько перспективным является сварочное производство, возникла необходимость регулировать силу сварочного тока для быстрой смены сварочных режимов. Поэтому еще с прошлого столетия стали применяться реостаты балластные в ручной дуговой сварке, а также наплавке металлов. В сварочной цепи реостат балластный включается последовательно с дугой. Принцип работы этого устройства основан на действии закона Ома: изменяя сопротивление в цепи, можно изменить обратно пропорционально силу тока.

   

      Устройство регулировки сварочного тока «УРСТ-140м», производства ООО «КВАНТЭМ», предназначено для регулировки электрической сварочной дуги при выполнении сварочных работ. Оно представляет собой батарею последовательно соединенных сопротивлений. На передней панели находятся два ряда контактных гнезд для подключения электрода. Регулировка сварочного тока осуществляется путем подключения штекера к одному из них. Для перемещения устройство снабжено ручкой.

 Техническая характеристика.

Номинальный ток, А.

175

Пределы регулирования

Сварочного тока, А

нижний, не более*

верхний, не менее*

 

 

40

175

Номинальная относительная продолжительность нагрузки ПН%,

при длительности цикла 10мин.

60

Масса, кг не более

6,5

Габаритные размеры, мм

длина

ширина

высота

 

340

306

240

* При условии падения на клеммах реостата 30В.

В комплект поставки входит: УРСТ-140м – 1шт, вставка соединителя – 2шт, руководство по эксплуатации.

Контактная сварка

Контактная сварка — это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Преимущества контактной сварки перед другими способами:
— Высокая производительность (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02. .. 1,0 с)
— Малый расход вспомогательных материалов (воды, воздуха)
— Высокое качество и надежность сварных соединений при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика
— Это экологически чистый процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации

Основные способы контактной сварки — это точечная, шовная (роликовая) и стыковая сварка.
Машины для контактной сварки бывают стационарными, передвижными и подвесными (сварочные клещи). По роду тока в сварочном контуре могут быть машины переменного или постоянного тока от импульса тока, выпрямленного в первичной цепи сварочного трансформатора или от разряда конденсатора. По способу сварки разлчают машины для точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки.

Любая машина для контактной сварки состоит из электрической и механической частей, пневмо- или гидросистемы и системы водяного охлаждения (рис. 1).

 

Рис. 1. Типовые схемы машин для контактной точечной (а), шовной (б) и стыковой (в) сварки:
1 — трансформатор; 2 — переключатель ступеней; 3 — вторичный сварочный контур; 4 — прерыватель первичной цепи; 5 — регулятор; 6 — привод сжатия; 7- привод зажатия деталей; 8 — привод осадки деталей; 9 — привод вращения роликов; 10- аппаратура подготовки; 11 — орган включения

Электрическая часть включает в себя силовой сварочный трансформатор 1 с переключателем ступеней 2 его первичной обмотки, с помощью которого регулируют вторичное напряжение, вторичный сварочный контур 3 для подвода сварочного тока к деталям, прерыватель 4 первичной цепи сварочного трансформатора 1 и регулятор 5 цикла сварки, обеспечивающий заданную последовательность операций цикла и регулировку параметров режима сварки.
Механическая часть состоит из привода сжатия 6 точечных и шовных машин, привода 7 зажатия деталей и привода 8 осадки деталей стыковых машин. Шовные машины снабжены приводом 9 вращения роликов.
Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры 10 подготовки (фильтры, лубрикаторы, которые смазывают движущиеся части), регулирования (редукторы, манометры, дросселирующие клапаны) и подвода воздуха к приводу 6 (электропневматические клапаны, запорные вентили, краны, штуцера).
Система водяного охлаждения включает в себя штуцера разводящей и приемной гребенок, охлаждаемые водой полости в трансформаторе 1 и вторичном контуре 3, разводящие шланги, запорные вентили и гидравлические реле, отключающие машину, если вода отсутствует или ее мало.
Все машины снабжены органом включения 11. У точечных и шовных машин это ножная педаль с контактами, у стыковых — это комплект кнопок. С органов управления поступают команды на сжатие «С» электродов или зажатие «3» деталей, на включение «Т» и отключение «О» сварочного тока, на вращение «В» роликов, на включение «а» регулятора цикла сварки. Эти команды отрабатываются соответствующими блоками машины, обеспечивая выполнение операций цикла сварки.
Кроме универсальных применяются специальные машины, приспособленные для сварки конкретных конструкций и типов размеров изделий. Примером могут служить машины для контактной точечной сварки кузовов автомобилей, встроенные в автоматические линии, машины для стыковой сварки оплавлением продольных швов труб в прокатном производстве.

Электроды в контактной сварке служат для замыкания вторичного контура через свариваемые детали. Кроме этого при шовной сварке электроды-ролики перемещают свариваемые детали и удерживают их в процессе нагрева и осадки.
Важнейшая характеристика электродов — стойкость, способность сохранять исходную форму, размеры и свойства при нагреве рабочей поверхности до температуры 600 0С и ударных усилиях сжатия до 5 кг/мм2. Электроды для точечной сварки — это быстроизнашивающийся сменный инструмент сварочной машины. Для изготовления электродов используют медь и жаропрочные медные сплавы — бронзы. Но материалы для электродов должны обладать также высокой электро- и теплопроводностью, чтобы их нагрев в процессе сварки был меньше. Температура разупрочнения бронз не превышает 0,5 их температуры плавления, а рабочая поверхность электрода нагревается до 0,6 Тпл. При таких условиях электродные бронзы относительно быстро разупрочняются. Повысить износостойкость электродов можно, используя технологические факторы,а также  смену материала для их производства. В настоящее время многие производственные компании и заводы предпочитают традиционным материалам дисперсно-упрочненные материалы на основе порошковой меди( ДУКМ ). Они обладают уникальными характеристиками: высокой электро- и теплопроводностью,высокой твердостью и износостойкостью,низкой способностью к адгезии (прилипанию )к различным металлам.Температура рекристаллизации таких материалов достигает 900 ºС, в следствие чего электроды из ДУКМ имеют очень высокий ресурс,что является определяющим показателем на производстве.  Немаловажным фактором является также то, что стоимость электродов из ДУКМа будет существенна ниже, чем на аналогичные из бронз из-за разной себястоимости материалов. Материалы БрХ, БрХЦр,БрНБТ стоят неоправданно дорого.
В случае интенсивных и постоянных сварочных работ, сэкономив на покупке высокоресурсных электродов, в итоге Вы получаете ощутимо большие затраты на их постоянную покупку в огромных количествах. В этом случае рекомендации однозначны – используйте электроды из ДУКМ. Бронзы — для специфических производств.

Теперь о стоимости: самые дешёвые электроды – медные, их стоимость самая низкая, следующие в ценовом ряду электроды из дисперсно-упрочнённой меди (ДУКМ) и самые дорогие – бронзовые. 

 

Основные параметры режима всех способов контактной сварки — это сила сварочного тока, длительность его импульса и усилие сжатия деталей. Теплота в свариваемом металле выделяется при прохождении через него импульса тока Iсв длительностью t в соответствие с законом Джоуля-Ленца: Q= Iсв2Rсвt, где за Rсв принимают сопротивление столбика металла между электродами. При расчете сварочного тока, времени импульса, сварочного трансформатора Rсв — исходный параметр, так как его легко рассчитать, зная материал детали, ее толщину и требуемую температуру сварки. При этом сопротивлениями в контактах между деталями и между электродами и деталями пренебрегают.
Согласно закону Джоуля-Ленца увеличение Rсв должно увеличивать количество выделяющейся теплоты. Но по закону Ома
Iсв=U2/Z, где U2 — напряжение на вторичном контуре сварочной машины, a Z — полное сопротивление вторичного контура, в которое входит Rсв. Поэтому при увеличении Rсв уменьшится Iсв, а он входит в закон Джоуля-Ленца в квадрате. Следовательно, увеличение Rсв не всегда увеличивает количество выделяющейся при сварке теплоты, многое зависит от соотношения Rсв и полного сопротивления вторичного контура сварочной машины. Отсюда следуют несколько практических выводов. С ростом общего сопротивления вторичного контура от 50 до 500 мкОм тепловыделение в зоне сварки уменьшается по мере падения Rсв примерно в 10 раз. Недостаток тепла компенсируется увеличением мощности (U2) или времени сварки. Сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (~ 50 мкОм) сопровождается интенсивным ростом нагрева по мере падения Rсв в процессе увеличения сварного ядра. При достижении равенства Rсв = Z нагрев достигает максимума, а затем, по мере еще большего снижения Rсв (по достижении требуемого размера ядра), уменьшается. Таким образом, сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (а их большинство) сопровождается нестационарным нагревом и нестабильным качеством соединений. Уменьшить этот недостаток можно надежным сжатием зачищенных деталей, обеспечивающим поддержание Rсв на минимальном уровне, либо поддерживая высокий уровень Rсв за счет слабого сжатия деталей и разделения импульса сварочного тока на несколько коротких импульсов. Последнее еще и экономит энергию и обеспечивает прецизионное соединение с остаточной деформацией 2…5 %.
При сварке на машинах с большим сопротивлением вторичного контура (> 500 мкОм) снижение Rсв в процессе сварки практически не влияет на выделение теплоты, нагрев остается стационарным, что характерно для сварки на подвесных машинах с длинным кабелем во вторичном контуре. Сваренные на них соединения обладают более стабильным качеством.

Качество сварных соединений, выполненных контактной сваркой, определяется подготовкой поверхностей к сварке, а также правильным выбором параметров режима и их стабильностью. Основной показатель качества точечной и шовной сварки — это размеры ядра сварной точки. Для всех материалов диаметр ядра должен быть равен трем толщинам S более тонкого свариваемого листа. Допускается разброс значений глубины проплавления в пределах 20…80 % S. За меньшим из этих пределов следует непровар, за большим — выплеск. Глубина вмятины от электрода не должна превышать 0,2 S. Размер нахлестки в точечных и шовных соединениях должен выбираться в пределах 2,5…5,0 диаметров ядра.
Основные дефекты сварных соединений при точечной и шовной сварке — это непровар, заниженный размер литого ядра, трещины, рыхлоты и усадочные раковины в литом ядре и выплеск, который может быть наружным, из-под контакта электрод — деталь, и внутренним, из-под контакта между деталями. Причины этих дефектов — недостаточный или избыточный нагрев зоны сварки из-за плохой подготовки поверхностей и плохой сборки деталей или из-за неправильно выбранных параметров режима сварки.
При стыковой сварке по тем же причинам могут возникать непровары. Перегрев зоны сварки может вызвать структурные изменения (укрупнение зерна) и обезуглераживание сталей. Это ухудшает механические свойства соединений.
Контролируют качество контактной сварки чаще всего внешним осмотром, а также любыми методами неразрушающего контроля. Сложность контроля состоит в том, что этими методами непровар не выявляется, так как поверхности деталей плотно прижаты друг к другу, в их контакте образуется «склейка», проникающие излучения, магнитное поле и ультразвук не отражаются и не ослабляются. Наиболее оперативный метод контроля — разрушение контрольных образцов в тисках молотком и зубилом. Если непровара нет, разрушение происходит по целому металлу одной из деталей, можно измерить диаметр литого ядра при точечной и шовной сварке.


Источник: Сварка и резка материалов. М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин.

Урок 1 — Основы дуговой сварки

Урок 1 — Основы дуговой сварки © АВТОРСКОЕ ПРАВО 1999 ГРУППА ESAB, INC. УРОК I, ЧАСТЬ Б 1.8.1.5 Различные материалы различаются по своим возможностям. для переноса электронов. Вещества, такие как дерево и каучука, имеют то, что называется прочной электронной связью, и их атомы значительно сопротивляться свободному движение электронов. Такие материалы считаются плохими проводниками электричества. С другой стороны, металлы имеют большие количество электронов, которые переходят свободно.Их сравнительно низкое электрическое сопротивление классифицирует их как хорошие электрические проводники. 1.8.1.6 Электрика сопротивление в первую очередь связано с нежеланием атомов отказываться от своего электронные частицы. Это может также рассматривать как сопротивление току. 1.8.1.7 Для лучшего понимания электрики термины, рассмотренные выше, мы могли бы сравнить замкнутая система водоснабжения с электрической схемой, показанной на рисунке 8.  Вы можете видеть, что как насос работает, вода будет двигаться в направлении, указанном стрелками.Это движется, потому что давление было произведено, и это давление можно уподобить напряжению в электрическом схема. Насос можно сравнить к аккумулятору или генератору постоянного тока. Вода течет через систему с определенной скоростью. Эта скорость потока в электрической цепи равна единица измерения известный как ампер. Небольшая трубка в контуре жидкости ограничивает поток оценить и можно по аналогии с резистором. Эта единица сопротивления известна как ом.Если мы закрываем клапан в жидкостном контуре мы останавливаем поток, и это можно сравнить с открытием переключиться на электрику схема. 1.8.2 Ома Закон — Сопротивление является основой теории электричества, и чтобы понять это принцип, мы должны знать закон Ома, который формулируется следующим образом:  В любой электрической цепи ток в амперах прямо пропорционально приложенному напряжению цепи и обратно пропорционально пропорциональна сопротивлению цепи. Прямо пропорциональный означает, что хотя напряжение и сила тока могут измениться, соотношение их отношений не изменится. Для например, если мы имеем цепь на один вольт и три ампера, мы говорим соотношение один к трем. Сейчас если мы увеличим вольт до трех, наша сила тока увеличится пропорционально до девяти ампер. Так как можно увидеть, хотя напряжение и сила тока изменились в числовом значении, их соотношение не. Термин «обратно пропорциональный» просто означает, что если сопротивление ЦИФРА 8 КЛАПАН ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ РЕЗИСТОР АККУМУЛЯТОР 10 ОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ 12 ВОЛЬТ ДИАГРАММА МАЛЕНЬКАЯ ТРУБНЫЙ НАСОС ЗАКРЫТАЯ ВОДЯНАЯ СИСТЕМА БОЛЬШАЯ ТРУБА

 

 

Типичная характеристика дуги по сравнению с законом Ома (Ибрагим Хан 2007).

Контекст 1

… сварка является ключевым процессом в промышленном производстве (Naidu et al. 2003), а дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа (GMAW) широко используется во многих производственных процессах благодаря своим фундаментальным преимуществам, таким как такие как регулируемые профили провара, гладкий валик, малое разбрызгивание и высокая скорость сварки (Kah et al. 2009). За последние два десятилетия GMAW стала основной технологией роботизированной сварки (Чен и Ву, 2009 г.). Тип дуги является важным фактором во многих приложениях; однако явление дуги не полностью объяснено и демонстрирует неизвестные свойства и поведение.Использование соответствующего типа дуги при сварке различных материалов различной толщины обеспечивает экономию средств, сокращает время производства и повышает качество. Соединение тонких материалов и материалов, чувствительных к теплу, в последнее время стало актуальной проблемой. Более глубокое понимание явления дуги может помочь в разработке и усовершенствовании комплексного проектирования промышленных сварочных систем (Иордаческу и Квинтино, 2008 г. ). С увеличением разнообразия соединяемых материалов и множества различных дуговых процессов необходимость понимания различных типов процессов дуговой сварки становится как никогда актуальной.Кроме того, при контроле и изменении процесса сварки знание явления дуги облегчит получение улучшенного качества сварки и надежных соединений (Eagar 1990a, b). В этом исследовании дается краткое введение в характеристики дуги, обсуждается классификация сварочных дуг, проводится сравнение дуг и обсуждаются преимущества и недостатки различных дуг. Наконец, рассматриваются типы сварочных дуг и их роль в промышленности. Сварочную дугу можно рассматривать как проводник газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую (Найду и др.2003). В исследовании Ланкастера (1984) сварочная дуга рассматривается как газовое тело цилиндрической формы, ограниченное температурным градиентом. Одной из проблем, с которыми обычно сталкивается сварочная промышленность, является плохая стабильность дуги. Стабильность и длина дуги влияют на процесс переноса металла (Пал и др. , 2010 г.). При стабильной дуге перенос металла равномерен, а количество брызг минимально (Hermans and Ouden 1999). В ситуации стабильной дуги можно найти зависимость между напряжением и током, показанную на рисунке 1 (Ибрагим Хан, 2007 г.).График показывает, что дуга не подчиняется закону Ома. При этом убывающая часть дуговой характеристики является частью Айртона и характеризует нестабильную дугу, а часть Ома, увеличивающаяся по площади, применяется при сварке. Другие факторы, такие как атмосфера дуги, длина дуги и используемые металлы, также влияют на наклон кривой. Плазма дуги представляет собой ионизированное состояние сварочного газа и представляет собой смесь почти равных количеств электронов и ионов. Плазма несет ток дуги.Большая часть проводимости тока осуществляется электронами. В случае дуговой сварки обычно предполагается, что электрод является катодом, а заготовка — анодом. Электроны вытекают из электрода (т. е. с отрицательной клеммы) и направляются в заготовку (т. е. с положительной клеммы) (Найду и др. , 2003). Чтобы определить влияние дуговой плазмы на сварочную ванну, необходимо учитывать четыре фактора (i) тепловой поток, (ii) плотность тока, (iii) напряжение сдвига и (iv) давление дуги.Существует прямая зависимость между увеличением теплового потока и плотности тока и глубиной сварочной ванны. Увеличение напряжения сдвига в расплавленной ванне способствует вытеканию потока из верхней части сварочной ванны, а увеличение давления дуги может привести к более вогнутой поверхности сварочной ванны (Мерфи и др., 2009). Однако давление дуги не влияет на плоскостность поверхности сварочной ванны, когда сила тока меньше 200 А (Лин и Игар, 1985; Ван и Цай, 2001). Первоначально считалось, что температура сварочной дуги состоит из тепла плазмы дуги, но Кобайн и Бергер (1955) показали, что большая часть тепла, передаваемого заготовке от электрода, возникает в результате протекания тока в металл.Позже это понимание было расширено Quigley et al. (1973), которые отметили, что только 20 % тепла переносится теплопроводностью от горячих газов, а 80 % остается в электрическом токе. В зависимости от конкретной природы плазмы и силы тока, протекающего через нее, температура сварочной дуги варьируется от 5 000 до 30 000 К (Найду и др., 2003; Роберт и Месслер, 2004). В некоторых случаях мощность чрезвычайно высока, а температура может достигать 50 000 К (Найду и др., 2003). На температуру плазмы влияют два важных фактора: конкретная плазма и ее плотность (Роберт и Месслер, 2004).При дуговой сварке с однокомпонентным газом, который используется в некоторых сварочных процессах, температура в GMAW ниже, потому что расплавленная капля, пар и ионы металла более концентрированы. На рис. 2 показано распределение температуры дуги при GMA-сварке алюминия при токе 250 А. Как видно, центральная часть дуги имеет самую высокую температуру, которая изменяется в зависимости от используемого защитного газа (Robert and Messler 2004). На процесс сварки влияет несколько факторов, таких как ток дуги, напряжение дуги, скорость перемещения горелки, присадочная проволока и частота вращения (Lu et al. 2009 г.; Мун и др. 2006). При выборе этих параметров следует учитывать количество подводимого тепла и желаемый сплав (Мин и др., 2011). Режим дуги и, следовательно, качество сварки сильно зависят от силы тока (Hu and Tsai 2006). На глубину проплавления также существенно влияет ток дуги. При газовой дуговой сварке увеличение тока дуги увеличивает проплавление шва. Однако повышенное проникновение в шов также увеличивает вероятность прожога и растрескивания при затвердевании.Эксперименты, проведенные Ху и Цаем (2006 г.), показали, что более высокий ток приводит к более высокой электромагнитной силе, которая заставляет каплю отрываться от электрода в сварочной ванне. Кроме того, при более высоком токе размер расплавленной капли меньше, а частота капель выше. Напряжение дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, напряжением дуги можно управлять, изменяя длину дуги (Найду и др., 2003). На рис. 3 показаны кривые напряжения дуги типичного источника питания на диаграмме сварочного тока и напряжения. Видно, что небольшое изменение напряжения приводит к очень большому изменению сварочного тока. В результате взаимосвязи между сварочным током и напряжением дуги можно предсказать свойства и геометрию сварного шва (Shoeb et al. 2013): при сварке высоким напряжением образуется очень широкий валик с возможными подрезами и вогнутой формой, а сварка слишком низкое напряжение приводит к некачественному сварному шву. Как видно из рисунка 3, напряжение значительно изменяется при небольшом изменении длины дуги, в то время как изменение тока происходит незначительно.Следовательно, длина дуги больше влияет на напряжение, чем на сварочный ток. Длина дуги на этой диаграмме разделена на три части: длинную, среднюю и малую, которые представляют собой так называемые кривые источника напряжения. Место соединения кривых CC и CV с кривой источника напряжения называется рабочей точкой источника питания и может быть изменено в процессе сварки (Naidu et al. 2003). Чтобы определить проплавление дуги, необходимо знать положение дуги, которое рассчитывается на основе таких параметров, как сварочное напряжение, сварочный ток и скорость подачи проволоки. Положение дуги определяется как сумма удлинения проволоки и длины дуги. На рисунке 4 эти параметры показаны для GMAW как L и L a соответственно. Расстояние между сварочной горелкой и заготовкой равно H, а параметр P отображает глубину проплавления (Ивата и др., 2009a, b). На рис. 5 показана корреляция между положением дуги и проваром при сварке плоских листов под флюсом. Подгоночная линия на графике показывает, что значения проникновения дуги и положения дуги очень близки.Таким образом, взаимосвязь ожидаемая (Iwata et al. 2009a, b). Эффективность дуги является важным фактором в процессах дуговой сварки и обычно объясняется как тепловложение в металл, деленное на общую тепловую энергию дуги (Eagar 1990a). Другими словами, эффективность дуги измеряется как количество энергии дуги, переданной подложке (Дюпон и Мардер, 1995). Эффективность дуги влияет на скорость сварки и может варьироваться от 60% до 99% для различных сварочных процессов (Eagar 1990b).Важно знать эффективность дуги, чтобы измерить эффективность плавки, как экспериментально, так и с помощью моделей теплового потока (Дюпон и Мардер, 1995). Параметры сварки (например, ток и напряжение) мало влияют на КПД дуги для данного процесса, а КПД дуги в процессах с неплавящимся электродом считается немного ниже, чем в процессах с плавящимся электродом (Kou 1987; Lancaster 1984). Тепловая нагрузка может быть рассчитана с использованием КПД дуги по формуле, приведенной в уравнении 1 (Гунарадж и Муруган…

Переменные, влияющие на провар

В одной из других статей на веб-сайте Lincoln Electric обсуждается плавление и проплавление сварного шва, а также случаи, когда более глубокое проплавление может быть полезным, а может быть проблемой. Какие параметры сварки влияют на провар? Как добиться большего или меньшего проплавления сварного шва?

Глубина проплавления (также известная как «проникновение») — это расстояние, на которое проплавление распространяется в основной металл или предыдущий проход от поверхности, расплавленной во время сварки. На рис. 1 показано поперечное сечение углового сварного шва, на котором виден профиль провара.

Параметром сварки, оказывающим наибольшее влияние на степень провара, является ток (измеряется в силе тока или амперах). Проще говоря, по мере увеличения сварочного тока (т. е. при большей силе тока) проплавление увеличивается, а при уменьшении сварочного тока (т. е. при меньшей силе тока) проплавление уменьшается. Рисунок 2 иллюстрирует эту точку с помощью трех сварных швов, выполненных при разных уровнях силы тока, и где все остальные переменные поддерживаются постоянными.

  Рисунок 1

 Рисунок 2

В процессах дуговой сварки, в которых используется выход постоянного тока (CC), ток является основным предустановленным параметром сварки. Однако в процессах, в которых используется постоянное выходное напряжение (CV), напряжение и скорость подачи проволоки (WFS) являются основными предустановленными параметрами сварки, а уровни тока являются результатом WFS. По мере увеличения WFS соответствующий уровень тока для этого конкретного типа и диаметра электрода также увеличивается. И наоборот, по мере уменьшения WFS ток также уменьшается.

Существует несколько других параметров сварки, которые также влияют на степень провара. В следующих пунктах в произвольном порядке будет обсуждаться влияние каждого из них на уровень проникновения (при условии, что все остальные переменные остаются постоянными). Обратите внимание, что на рисунке 2 (выше), а также на рисунках 3, 5, 6 и 7 показаны поперечные сечения (и результирующие уровни проплавления) сварных швов, выполненных в процессе дуговой сварки под флюсом (SAW).Процесс SAW был выбран, чтобы проиллюстрировать влияние (или отсутствие влияния) этих различных параметров сварки на уровень проплавления, потому что результаты более драматичны. SAW обычно используется при очень высоких уровнях тока, а также при высоких скоростях перемещения, довольно высоких уровнях напряжения и использует электроды большего диаметра. Хотя изменения этих параметров сварки будут иметь такое же влияние на уровень провара при использовании других процессов дуговой сварки, поскольку уровень тока и т. д. не так высок, различия в проплавлении не будут такими значительными.

  • Полярность: Тип используемой полярности сварки влияет на уровень провара. В большинстве процессов дуговой сварки полярность DC+ (электрод постоянного тока положительная) обеспечивает большее проплавление сварного шва, поскольку больше энергии дуги фокусируется на основной пластине. И наоборот, полярность постоянного тока (электрод постоянного тока отрицательная) приводит к меньшему проплавлению сварного шва, потому что больше энергии дуги фокусируется на электроде, а не на базовой пластине. Это касается процессов дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа (SMAW), дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа (GMAW), дуговой сварки порошковой проволокой (FCAW) и процессов под флюсом (см. рис. 3).Исключением является процесс дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW), в котором влияние полярности на проплавление противоположно. При GTAW полярность DC- приводит к большему проплавлению сварного шва (полярность DC+ обычно не используется).

    В некоторых усовершенствованных источниках питания на ПАВ используется технология управления формой волны и переменный ток, чтобы обеспечить превосходную стабильность дуги и контроль между скоростью наплавки и уровнем провара. Они также имеют возможность управлять балансом волны переменного тока, смещением тока и частоты для дальнейшего контроля над характеристиками сварки.

Рисунок 3

  • Процесс сварки: различные процессы дуговой сварки имеют связанные характеристики провара. Например, процессы SAW, FCAW и GMAW (в режиме шарового переноса металла, струйной или импульсной струйной дуги) обычно известны более высокими уровнями проплавления сварного шва. Принимая во внимание, что процессы GTAW, GMAW-C (металлический сердечник) и GMAW (в режиме переноса металла с коротким замыканием) обычно известны более низкими уровнями проникновения.Конечно, эта корреляция также связана с током. Например, процесс SAW, как правило, используется при очень высоких уровнях тока, в то время как процесс GMAW с коротким замыканием, как правило, используется при более низких уровнях тока. Процесс SMAW может иметь характеристики более глубокого или мелкого проникновения, в зависимости от конкретного типа используемого электрода.
  • Тип электрода: даже в рамках одного и того же процесса сварки электроды разных классов могут иметь разные характеристики проникновения.Например, в процессе SMAW электрод E6010 обычно имеет более глубокое проникновение, а электрод E7024 обычно имеет более мелкое проникновение. Другой пример можно увидеть с процессом FCAW. Электрод E70T-1 обычно имеет более глубокое проплавление, тогда как электрод E71T-1 обычно имеет более мелкое проплавление.
  • Угол хода: градус угла хода, независимо от того, является ли он толкающим или тянущим, влияет на то, какая часть силы дуги направлена ​​вниз на опорную плиту.Угол перемещения от 0° до 10° (т. е. электрод перпендикулярен или почти перпендикулярен пластине) приведет к большему проплавлению сварного шва. По мере того, как угол перемещения становится более жестким, уровень проплавления уменьшается.
  • Тип защитного газа: Типы защитного газа также влияют на проплавление сварного шва. Защитные газы с более высоким коэффициентом теплопроводности, такие как 100 % диоксид углерода (CO2) или 100 % гелий (He), обеспечивают сварку с более широким и глубоким профилем проплавления.В то время как защитные газы с более низким коэффициентом теплопроводности, такие как 100% аргон (Ar) или смесь Ar/CO2 или Ar/кислород (O2), имеют более мелкий профиль проникновения, который более сужается в середине (см. рис. ). 4 ).

Рисунок 4

  • Диаметр электрода: при сварке одним и тем же электродом двух разных диаметров и с одинаковым уровнем тока, как правило, больший провар достигается электродом меньшего диаметра, чем электродом большего диаметра (см. Рисунок 5 ).Если вы посмотрите на концевой срез проволоки каждого размера, то увидите, что меньший диаметр имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем больший диаметр. Поскольку через каждый электрод протекает одинаковое количество тока, концентрация или плотность тока больше в электроде меньшего диаметра, чем в электроде большего диаметра. В результате этой более высокой плотности тока электрод меньшего диаметра будет иметь большее проникновение в сварной шов, чем электрод большего диаметра. Обратите внимание, однако, что каждый диаметр электрода имеет максимальную плотность тока до того, как сварочная дуга станет очень нестабильной и неустойчивой.Так как ток достигает определенного уровня, необходимо будет увеличить диаметр электрода.

Рисунок 5

  • Скорость перемещения: скорость перемещения электрода по стыку влияет на то, сколько времени энергия дуги должна передаться опорной пластине в любой конкретной точке стыка. По мере увеличения скорости движения время, в течение которого дуга проходит над определенной точкой стыка, уменьшается, и результирующий уровень проникновения уменьшается.По мере уменьшения скорости движения время, в течение которого дуга проходит над определенной точкой стыка, увеличивается, и результирующий уровень проникновения увеличивается (см. Рисунок 6 ).

Рисунок 6

  • Варианты CTWD: с процессами GMAW, FCAW и SAW на источниках питания с постоянным напряжением (CV) и работающими при заданной скорости подачи проволоки и напряжении, поскольку расстояние от контактного наконечника до рабочего расстояния (CTWD) увеличивается, большее сопротивление протекание электричества через электрод происходит потому, что электрод (т.е., металлический электрический проводник) длиннее. При постоянном уровне напряжения это увеличение сопротивления вызывает уменьшение тока (т. е. закон Ома), что приводит к снижению уровня проникновения. И наоборот, по мере уменьшения CTWD сопротивление также уменьшается. Следовательно, увеличивается ток и, следовательно, увеличивается проникновение.

 

Одним из основных параметров сварки, практически не влияющих на провар, является напряжение дуги. Хотя изменения напряжения дуги могут привести к минимальным изменениям провара шва, их влияние очень незначительно по сравнению со сварочным током и другими переменными, только что перечисленными в этой статье.Напряжение дуги влияет на длину дуги. При одной и той же скорости подачи проволоки с увеличением напряжения длина дуги увеличивается, а с уменьшением напряжения длина дуги уменьшается. Длина дуги, в свою очередь, определяет ширину и размер конуса дуги. По мере уменьшения длины дуги конус дуги становится уже, а дуга становится более сфокусированной (см. Рисунок 7 ). В результате сварной шов становится более узким и вязким, а уровень провара может незначительно уменьшаться. И наоборот, по мере увеличения длины дуги конус дуги становится шире, а сама дуга шире.В результате сварной валик становится более широким и плоским, а уровень провара может незначительно увеличиваться. Влияние напряжения дуги на форму валика хорошо видно на рис. 8 . Обратите также внимание на то, что между сварными швами, выполненными при напряжении 27 В, 34 В и 45 В (все при одинаковой силе тока, скорости перемещения и диаметре электрода), можно обнаружить очень небольшую разницу в проплавлении сварного шва. Однако имейте в виду, что это чрезвычайно большое изменение напряжения дуги, сделанное только на этом образце сварки, чтобы проиллюстрировать это.На практике напряжение дуги при сварке будет варьироваться всего на несколько вольт. Следовательно, изменение проникновения, вызванное изменением напряжения (всего лишь) всего на несколько вольт, практически отсутствует.

  Рисунок 7

Рисунок 8Напряжение часто неправильно называют «нагревом», когда сварщики увеличивают напряжение или «нагрев» для воспринимаемого большего проникновения и уменьшают напряжение или «нагрев» для воспринимаемого меньшего проникновения. Это заблуждение, вероятно, возникает из-за того, что они видят, как валик сварного шва расширяется при большем напряжении и становится узким и скрученным при меньшем напряжении (как показано на рис. 8 ). Однако, как объяснялось выше, профиль сварочного валика становится шире или уже при изменении напряжения, потому что конус дуги становится шире или уже при изменении напряжения.Результирующий уровень проплавления при различных уровнях напряжения дуги (но при одном и том же уровне тока) практически не изменяется.

Welding.Com » Введение в сварку сопротивлением

Сварка сопротивлением является одним из старейших процессов электросварки, используемых сегодня в промышленности. Сварка производится комбинацией тепла, давления и времени. Как следует из названия контактной сварки, это сопротивление материала свариваемому, протекающему току, вызывающему локальный нагрев детали.

Давление, оказываемое клещами и наконечниками электродов, через которые протекает ток, удерживает свариваемые детали в тесном контакте до, во время и после временного цикла сварочного тока. Требуемая величина временного тока в соединении определяется толщиной и типом материала, величиной временного тока и поперечным сечением контактных поверхностей сварочных наконечников.

Основы контактной сварки

Точечная сварка сопротивлением осуществляется при пропускании тока через кончики электродов и отдельные соединяемые куски металла.Сопротивление основного металла протеканию электрического тока вызывает локальный нагрев в месте соединения и сварку.

Стержень контактной точечной сварки формируется внутри по отношению к поверхности основного металла. На приведенном ниже рисунке показана точка контактной точечной сварки по сравнению с газовой вольфрамовой дугой.

Пятно газовой вольфрамовой дуги выполнено только с одной стороны. Точечная сварка сопротивлением обычно выполняется электродами с каждой стороны заготовки. Точечная сварка сопротивлением может выполняться с заготовкой в ​​любом положении.

Образец резистивного точечного сварного шва образуется при нагреве границы раздела сварного шва за счет сопротивления поверхностей шва протеканию электрического тока. Во всех случаях, конечно, ток ДОЛЖЕН протекать, иначе сварка не может быть выполнена. Давление кончиков электродов на заготовку удерживает деталь в тесном контакте во время сварки. Помните, однако, что машины для контактной точечной сварки НЕ предназначены для использования в качестве силовых зажимов для стягивания заготовок во время сварки.

1 – Производство тепла

Модификация закона Ома может быть сделана, когда ватты и тепло считаются синонимами. Когда ток проходит через проводник, электрическое сопротивление проводника потоку тока вызывает выделение тепла. Основная формула для производства тепла может быть сформулирована:

H = I R, где:
H= ТЕПЛО, I2 = КВАДРАТ СВАРОЧНОГО ТОКА и R= СОПРОТИВЛЕНИЕ

Вторичная часть контура контактной точечной сварки, включая свариваемые детали, фактически представляет собой ряд сопротивлений.Суммарное аддитивное значение этого электрического сопротивления влияет на выходной ток аппарата контактной точечной сварки и тепловыделение цепи.

Ключевым фактом является то, что хотя значение тока одинаково во всех частях электрической цепи, значения сопротивления могут значительно различаться в разных точках цепи.

Машины контактной точечной сварки, производимые Miller Electric Mfg. Co., сконструированы таким образом, чтобы минимальное сопротивление оказывалось в трансформаторе, гибких кабелях, щипцах и наконечниках электродов.Машины контактной точечной сварки Miller предназначены для наиболее эффективной подачи сварочного тока на свариваемое изделие. Именно в месте сварки требуется наибольшее относительное сопротивление. Термин «относительный» означает по отношению к остальной части фактической сварочной цепи.

В рабочей зоне есть шесть основных точек сопротивления. Они:

  • Точка контакта между электродом и верхней заготовкой.
  • Верхняя заготовка.
  • Интерфейс верхней и нижней заготовок.
  • Нижняя заготовка
  • Контакт между нижней заготовкой и электродом.
  • Сопротивление наконечников электродов.

 

2 – Время

Точечная сварка сопротивлением зависит от сопротивления основного металла и величины тока, протекающего для получения тепла, необходимого для выполнения точечной сварки. Еще один важный фактор – время. В большинстве случаев при точечной сварке используется сила тока в несколько тысяч ампер. Такие значения силы тока, протекающие через относительно высокое сопротивление, создают много тепла за короткое время.Для выполнения точечной сварки с хорошим сопротивлением необходимо строго контролировать время протекания тока.

3 – Давление

Следует тщательно учитывать влияние давления на контактную точечную сварку. Основная цель давления — удерживать свариваемые детали в тесном контакте на границе стыка. Это действие обеспечивает постоянное электрическое сопротивление и проводимость в точке сварки. Запрещается использовать щипцы и наконечники электродов для стягивания заготовки. Машина контактной точечной сварки не предназначена для электрического зажима типа «С». Свариваемые детали должны быть состыкованы ДО приложения давления.

4 – Наконечники электродов

Медь

является основным материалом, обычно используемым для наконечников и клещей для контактной точечной сварки. Назначение наконечников электродов — проводить сварочный ток к заготовке, быть фокусом давления, прикладываемого к сварному соединению, отводить тепло от рабочей поверхности и сохранять целостность формы и характеристик тепловых и электрических характеристик. электропроводность в рабочих условиях.

Информация предоставлена ​​Miller Electric

Центр обслуживания взрослых и общественных услуг

Регистрационная информация

Технологии кондиционирования воздуха, охлаждения и обогрева

Студенты получат введение в теорию охлаждения и кондиционирования воздуха и научатся определять и понимать функции электрических компонентов, органов управления, клапанов, компрессоров и испарителей. Их проинструктируют по сборке систем, поиску и устранению неисправностей, ремонту и замене деталей для кондиционеров, систем кондиционирования воздуха и льдогенераторов, а также по изучению теории систем отопления, а также по установке и ремонту газовых и жидкотопливных систем, котлов, горелки и системы отопления.Эти курсы включают в себя установку кондиционеров и обогревателей в типовых домах. Эта интенсивная дневная программа обучения для взрослых разработана как предварительная подготовка или обучение механику. Студенты будут подготовлены к работе на уровне ученика.

Утвержденный EPA сертификационный экзамен по переходу и восстановлению хладагента (основной, I, II, III и универсальный), расходные материалы и набор инструментов включены. Учащиеся, не сдавшие часть экзамена, могут запланировать повторный тест за дополнительные 50 долларов США при следующем предложении.

В комплекте: сертификационный экзамен по переходу и восстановлению хладагента, одобренный EPA (основной, I, II, III и универсальный), расходные материалы, набор инструментов

Право на отраслевую сертификацию: EPA National

Кондиционирование воздуха и охлаждение 1

Изучите теорию охлаждения и кондиционирования воздуха, включая все аспекты цикла охлаждения и кондиционирования воздуха, включая типы хладагентов и их использование.

КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА И ОХЛАЖДЕНИЕ 2

Продолжайте свое обучение, уделяя особое внимание базовой теории электротехники, включая цепи низкого и высокого напряжения и электрические элементы управления, такие как пускатели, таймеры, контакторы, термостаты, ТРВ, осушители и реле.

Кондиционирование воздуха и охлаждение 3

Соберите работающую систему охлаждения со всеми электрическими компонентами и платой низковольтного кондиционера. Это практическое обучение включает в себя сборку труб и труб, а также обучение резке, развальцовке и пайке медных труб.

Кондиционирование воздуха и охлаждение 4

Узнайте о кондиционерах, системах кондиционирования воздуха и льдогенераторах в рамках углубленного практического обучения.Механики HVAC должны подготовиться к получению сертификата по сбору и переработке хладагентов.

Сертификация перехода и восстановления хладагента

Подготовьтесь к сертификации по регенерации и переработке хладагентов, включая сертификационный экзамен, одобренный EPA. В стоимость обучения входит стоимость теста. Учащиеся, не сдавшие первоначальный экзамен, могут пройти повторное тестирование за дополнительные 50 долларов при следующем предложении.

Право на отраслевую сертификацию:   Сертификация EPA (Core I, II, III или универсальная)

Ремонт масляной горелки

Изучение поиска и устранения неисправностей, обслуживания и ремонта масляных горелок, включая инструкции по основным системам, электрическим требованиям, простым элементам управления, способам установки и мощности горелок.

Поиск и устранение неисправностей/ремонт систем отопления

Узнайте об основных системах отопления, требованиях к электропитанию, простых элементах управления, способах установки и мощности горелок в дополнение к компонентам системы, поиске и устранении общих проблем системы и методах, необходимых для поддержания систем отопления с максимальной производительностью и эффективностью.

Резистивная и ударно-дуговая сварка диодов, конденсаторов, силовых выпрямителей

СОПРОТИВИТЕЛЬНАЯ СВАРКА производится за счет тепла, полученного от сопротивления на стыке металлических предметов потоку электрического тока через соединение.Как правило, соединение поддерживается внешней силой, которая прижимает объекты друг к другу. Закон

Ома является основополагающим для контактной сварки. Этот закон гласит: «Если напряжение остается постоянным, ток, протекающий через любую цепь, обратно пропорционален сопротивлению в этой цепи». Э=ИК. E=вольты, I=ток в амперах, R=сопротивление в омах.

Основным требованием для контактной сварки является выделение тепла. Формула мощности, рассеиваемой в электрической цепи: P=I²R.P=мощность в ваттах, I=ток, R=сопротивление. Ток, протекающий в амперах, одинаков во всех частях одноцепочечной цепи независимо от сопротивления от точки к точке. Однако тепло, выделяемое в точке, будет прямо пропорционально сопротивлению в этой точке.

При контактной сварке детали проектируются так, чтобы иметь наибольшее сопротивление и, следовательно, наибольшее тепловыделение в точке, где требуется сварка. Соединительные провода рассчитаны на очень низкое сопротивление при одинаковой силе тока.Следовательно, соединительные провода остаются относительно холодными.



В точках A и C на рис. 1 сопротивление электрода к проволоке и электрода к заготовке сведено к минимуму за счет использования медно-вольфрамового материала, который обеспечивает как низкое электрическое сопротивление, так и хорошую стойкость к физическому износу.

В точке B на рис. 1 острие долота, врезанное в проволоку, обеспечивает начальную точку высокого сопротивления, которая приводит к точке наивысшего нагрева.

Тепловая энергия, выделяемая в месте сварки и соединительных электродов, выражается по закону Джоуля следующим образом:  W=I²RT.W=тепловая энергия в ватт-секундах или джоулях, I=ток в амперах, R=сопротивление в омах, T=время подачи тока в секундах.

Как правило, значительное количество тепла рассеивается на сопротивлении постоянного тока в трансформаторе, во всех соединительных соединениях, линиях шины к электродам, электродах и интерфейсах, а также в индуктивных потерях переменного тока в трансформаторе. То есть тепло выделяется и теряется во многих точках, кроме самого соединения.

С добавлением эффекта потерь формула тепловой энергии принимает вид: H=I²RTK.K=коэффициент тепловых потерь.

Потери в первую очередь вызваны излучением светильников и предметов в окружающий воздух. Поскольку эти потери нелегко контролировать, важным фактором является время подачи тока.

Если тепло, выделяемое приложенным током, поднимает температуру соединения выше точки плавления металла, в различных точках могут образовываться газовые карманы, что приводит к взрыву мельчайших частиц, что называется «искрением».” При дальнейшем повышении температуры зона термического влияния сдвинется дальше вглубь подводящего провода и вызовет обесцвечивание.

Поскольку тепло, выделяемое в точке, пропорционально квадрату тока, без учета потерь удвоение тока приведет к учетверению тепла, выделяемого за заданный период времени. Изменение генерируемого тепла может быть получено либо за счет изменения уровня тока, либо за счет изменения продолжительности времени. Однако передача тепла через металл, окружающий место соединения, занимает конечное время.В результате, для образования сварного шва надлежащего размера продолжительность времени не может быть сокращена ниже минимума, независимо от увеличения тока. Обычным эффектом сильного тока с недостаточной продолжительностью времени является настолько быстрое выделение тепла, что на контактных поверхностях происходит горение.

Давление сварки — это сила на единицу площади, действующая на СОЕДИНЕНИЕ СВАРКИ и РЕЗЕРВНЫЙ ЭЛЕКТРОД со стороны ЗАЖИМНОГО ЭЛЕКТРОДА СВАРКИ. Внешняя сила сближает детали и поддерживает постоянное давление на стыке во время процесса сварки.

Давление сварки не входит непосредственно в только что рассмотренную формулу, но оно оказывает прямое влияние на сварочный ток, поскольку влияет на сопротивление в месте соединения двух заготовок.

Для контактной сварки доступны различные сварочные источники питания. Существует четыре основных категории: ЕМКОСТНЫЙ РАЗРЯД С НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ, СИНХРОННЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОСТОЯННЫЙ ТОКА И СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ НА ЧИСТОМ ПОСТОЯННОМ ТОКАХ.

Типичный пример показан на блок-схеме на рис. 2.Он состоит из силовой цепи, способной переключать обе половины сетевого напряжения переменного тока (рис. 2А), схемы обнаружения нулевого напряжения для синхронизации переключения силовой цепи, временной схемы для включения силовой цепи на желаемое время сварки. и сварочный трансформатор для преобразования высокого напряжения при слабом токе в низкое напряжение (обычно от 2 до 6 вольт) при сильном токе.

Выход синхронного источника питания переменного тока обычно регулируется тремя способами, как показано на рис. 3 (ниже):

  1. Настройка нагрева — контролирует процентную долю каждого полупериода линейного напряжения, подаваемого на сварочный трансформатор, относительно точки пересечения нуля переменного напряжения. (Рисунок 3А)
  2. Половина или полный цикл — настраивает источник питания на подачу последовательных полупериодов линейного тока той же полярности или чередующейся полярности. Полный цикл обеспечивает как минимум один полный цикл линейного тока. (Рисунки 3B и 3C)
  3. Количество циклов — устанавливает количество циклов сетевого тока, подаваемого при каждом срабатывании сварочного аппарата. (Рисунок 3D)
Типичная схема показана на рисунке 4 (ниже). Конденсатор(ы) заряжается постоянным током от выпрямителя или генератора.Энергия сварки сохраняется от 50 до 300
VDC, а затем разряжается механическим или электрическим методом переключения на первичную обмотку сильноточного сварочного трансформатора.

Элементы управления для этого сварочного источника питания:

  1. Приложенное напряжение — регулировка напряжения, хранящегося в конденсаторах.
  2. Сумма емкости — корректировка количества конденсаторов.
  3. Сварочный ток — регулировка отводов на сварочном трансформаторе для изменения напряжения на вторичной обмотке.
Существует четыре типа дюмета: ОКИСЛЕННЫЙ, БОРИРОВАННЫЙ ДУМЕТ, ПОКРЫТЫЙ
. ДУМЭТ И ГОЛЫЙ ДУМЭТ.

Оксидированный дюмет состоит из плакированного медью никелевого железа, который подвергается процессу нагрева, в результате которого на поверхности плакированного медью образуется оксид меди. Этот дюмет обычно используется в тех случаях, когда в процессе герметизации используется некоторая форма контролируемой атмосферы.

В борированном дюмете также используется омедненное никелевое железо, которое подвергается окислению. Однако после окисления думет подвергается термообработке раствором буры для образования поверхности тетрабората натрия, что облегчает герметизацию стекла в процессах пламенного типа.

CCFE (стальная проволока с медным покрытием) выпускается различных размеров и с проводимостью от 20% до 88%. Проводимость чистой меди считается 100%.

Для изготовления приваренного к CCFE узла дюмета, как показано на рис. 6, необходимо сначала отрезать заготовку дюмета до нужной длины. Этот надрез, выполненный должным образом, требует, чтобы на обоих концах отрезанного куска не было заусенцев и чтобы пятно меди было нанесено примерно на 75% поверхности, противоположной сварному шву, как показано на рис. не должно быть царапин или следов, которые могли бы повлиять на уплотнение стекла по металлу.Затем проволока CCFE отрезается по длине, образуя острие типа долота, как показано на рисунке 8B. Эта точка долота срезана под разными углами, обычно <30%, чтобы обеспечить точку относительно высокого сопротивления в месте сварного соединения.

Заготовка дюмета и проволока CCFE соединяются вместе под давлением, и сварочный ток подается через набор зажимных зажимов на проволоку CCFE и через электрод, который контактирует с заготовкой дюмета на стороне, противоположной сварному шву, как показано на рис. 1.Когда ток проходит через заготовку, относительно высокое сопротивление интерфейса CCFE/Dumet приводит к быстрому нагреву соединения, поскольку сварочное давление сжимает две заготовки вместе, сваривая два металла. Фактический процесс сварки сварных швов DO 41 и DO 35 занимает от 3 до 8 миллисекунд, в зависимости от материала, проводимости и размера проволоки.

Сварные швы между танталом используются для изготовления анодов танталовых конденсаторов. Фактический процесс сварки такой же, как и при сварке дюмета с CCFE.Однако, поскольку заготовки прессуются из порошкообразного тантала, их необходимо подавать в сварочный аппарат с помощью вибрационной чаши и подающего устройства. Процесс контактной сварки хорошо подходит для этого типа сварки, потому что тантал при нагревании сильно реагирует с кислородом и другими газами и может воспламениться от электрической дуги.

Сварка сопротивлением не образует дуги, которая могла бы вызвать быстрое окисление порошкообразной заготовки тантала. Он также сводит к минимуму воздействие как кислорода, так и азота, которые могут вызвать образование оксидов и нитридов в сварном соединении и в области вокруг сварного шва.Обработка, правка и резка тантала требуют осторожности, чтобы избежать прилипания смазочных масел, которые могут повредить готовый конденсатор.

Тантал чрезвычайно абразивен. Для этого требуется, чтобы резка производилась инструментами из карбида вольфрама, а матрицы ротационного выпрямителя были изготовлены из керамики или нейлона для предотвращения преждевременного износа. Поскольку тантал очень абразивный, танталовая пыль, которая накапливается на сварочных аппаратах, должна удаляться путем ежедневной очистки, чтобы предотвратить чрезмерный износ движущихся частей.

Ударная сварка — это процесс сварки, при котором тепло получают от дуги, возникающей в результате быстрого разряда электрической энергии через зазор, и удара обрабатываемой детали, который применяется во время или сразу после электрического разряда. Неглубокий слой металла на контактных поверхностях заготовки оплавляется теплом дуги, возникающей между ними. Одна из заготовок ударяется о другую, гасит дугу, удаляет оксиды и проковывает сварной шов.

Зажигание дуги, время дуги и воздействие сварки контролируются и синхронизируются автоматически.Источник питания сварки обычно относится к типу емкостного разряда. Сварочное воздействие (сила ковки) прикладывается электромагнитными устройствами, электромеханическими устройствами, прямым приводом с кулачковым приводом, пружинами или силой тяжести.

Генерируемое тепло является интенсивным, но очень коротким по времени, и локализовано близко к стыку. Он позволяет выполнять ударную сварку небольших деталей с более крупными, а также с разнородными металлами, которые значительно различаются по удельному электрическому сопротивлению и температуре плавления.Удельное электрическое сопротивление свариваемых деталей не оказывает заметного влияния на количество тепла, выделяющегося в месте соединения. Дуга обеспечивает тепло для сварки металлов.

Удерживающий зажим, губки или патрон сварочной головки не обязательно должны быть хорошим электрическим проводником, как при контактной сварке, потому что величина проходящего тока сравнительно мала, а продолжительность тока очень короткая. Материал рабочего зажима обычно выбирается в первую очередь из-за прочности и износостойкости. Обычно используется закаленная сталь.

Ударная сварка используется для приварки тонких проволочных выводов к нитям накала в лампах и
. к клеммам электрических и электронных компонентов, где требуется надежное соединение, способное противостоять ударам, вибрации и длительному сроку службы при повышенных температурах. Он обычно используется при сварке меди с молибденом для использования в производстве силовых выпрямителей, при изготовлении телефонных и электрических устройств, а также для крепления контактов большой площади к переключающим компонентам.

Ударные сварные швы могут выполняться на расстоянии нескольких тысячных дюйма от стеклянных уплотнений или других термочувствительных материалов без повреждения этих материалов, поскольку общее выделяемое тепло невелико и может быть локализовано. Ударная сварка может быть массивной или это может быть тонкий металл, как в катоде конденсатора может, или многожильная проволока, или сплошная проволока. Плоские заготовки любой формы могут быть приварены ударным способом к сопрягаемым плоским поверхностям с помощью наконечника для зажигания дуги.

Заготовки должны быть отдельными объектами.Концы непрерывной заготовки нельзя соединять в кольцо. Одна из заготовок сборки должна быть надежно зафиксирована в сварочной головке, чтобы ее можно было ударить по неподвижной заготовке без соскальзывания.

Ударная сварка с конденсаторным разрядом может использоваться для стыковой сварки проволоки одинакового или сильно различающегося диаметра. Для некоторых металлов диаметр проволоки может составлять всего 0,005 дюйма.

Термообработанные, холоднодеформированные или предварительно обработанные металлы не подвержены воздействию тепла ударной сварки, потому что зона термического влияния очень неглубокая, обычно всего несколько тысячных дюйма.

Очистка не имеет решающего значения для получения качественных ударных сварных швов, поскольку по крайней мере тонкий слой металла расплавляется с каждой детали и выталкивается из соединения.

Почти любая пара одинаковых или разных металлов или сплавов может быть соединена ударной сваркой. Заготовки с совершенно разным составом, температурой плавления, электропроводностью и теплопроводностью можно легко сварить вместе.

Металлы, легко свариваемые, включают медные сплавы, алюминиевые сплавы, никелевые сплавы,
низкоуглеродистые стали, среднеуглеродистые стали и нержавеющие стали.Также были сварены различные комбинации этих сплавов.

Медь может быть сварена ударным способом с молибденом. Хотя настоящие сварные швы между этими двумя металлами одно время считались невозможными из-за взаимной нерастворимости, испытания показали проникновение меди в молибден на 0,0004 дюйма в месте сварного соединения.

Для ударной сварки используются три типа источников питания. Это: низковольтный конденсатор, высоковольтный конденсатор и трансформатор. Будут обсуждаться низковольтные конденсаторы и источники питания высоковольтных конденсаторов.

Конденсаторы низкого напряжения с большой емкостью обычно используются в источниках питания для ударной сварки с конденсаторным разрядом. Конденсатор заряжается постоянным током от выпрямителя или генератора, а энергия сварки накапливается при напряжении от 50 до 300 В постоянного тока, а затем разряжается для выполнения сварки.

Относительно низкое напряжение делает этот тип источника питания подходящим для использования с настольными сварочными головками, поскольку оператор не подвергается воздействию очень высокого напряжения.

Высоковольтные конденсаторы малой емкости также используются для питания при ударной сварке конденсаторным разрядом.Электрически они работают так же, как низковольтные конденсаторы, но сохраняют энергию сварки от 1000 до 6000 В постоянного тока.

Высоковольтные конденсаторы могут создавать более равномерный дуговой разряд, и использование
этого типа источника питания является одним из способов избежать необходимости в наконечнике для зажигания дуги. Высокое напряжение дает больше свободы в управлении рабочими параметрами процесса сварки. Однако более сложно и дорого обеспечить защиту оператора от напряжения, которое часто превышает 1000 вольт.

Типовая схема сварки емкостным разрядом показана на рис. 4 (ниже).

Время дуги — это временной интервал, который начинается, когда дуга инициируется, и заканчивается, когда одна заготовка касается другой, и дуга гаснет.

Факторы, влияющие на время дуги, включают рабочий металл или комбинацию рабочих металлов, массу движущейся заготовки и движущихся частей машины, размеры наконечника, сварочное напряжение и ток, сварочное усилие и синхронизацию зажигания дуги с приложением сварочного усилия. .

Кратчайшее время дуги, позволяющее сформировать прочную металлургическую связь с некоторым проникновением в заготовку, обычно используется для минимизации воздействия нагрева на прилегающие участки заготовок. Типичное время дуги при ударной сварке составляет от 0,5 до 1,5 миллисекунд.

Из-за короткого времени дуги зона термического влияния очень неглубокая. Для сварки конденсаторным разрядом это часто составляет всего около 0,0015–0,005 дюйма. В ударных швах между металлами, которые имеют сильно различающиеся температуры плавления, зона термического влияния может составлять всего несколько миллионных долей дюйма в металле с более высокой температурой плавления и . От 015 до 0,025 дюймов в металле с более низкой температурой плавления.

Заряд конденсатора (конденсаторов) и напряжение дают приблизительную меру энергии, затрачиваемой на сварку в стыке при дуговом разряде. Эту энергию можно рассчитать по следующему уравнению: W=1/2CE2, где W – энергия в ватт-секундах или джоулях, C – емкость в фарадах, а E – напряжение в вольтах.

Количество энергии, используемой при выполнении ударного сварного шва, зависит от площади поперечного сечения соединения, свойств обрабатываемого металла или металлов и глубины, на которую металл вплавляется в заготовку.

Сварочный ток или форма дугового разряда при ударной сварке зависит от применения и обычно не измеряется. Однако пики тока в 400 ампер эквивалентны почти 1/2 миллиона ампер на квадратный дюйм на проводе диаметром 0,032 дюйма.

Полярность не имеет значения при выполнении ударных сварных швов между заготовками из одного материала и с одинаковой площадью поперечного сечения, но может существенно повлиять на сварку разнородных металлов или материалов с разной площадью поперечного сечения.При сварке металлов с различными температурами плавления металлу с самой высокой температурой плавления или наибольшей площадью поперечного сечения обычно придается ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ полярность.

Выбор полярности имеет особое значение при ударной сварке разнородных металлов, сильно различающихся по температуре плавления, и используется для минимизации глубины околошовных зон в более низкоплавком металле.

Разница температур двух заготовок относительно полярности объясняется эффектом электронной бомбардировки анода во время дугового разряда.Эта бомбардировка анода электронами заставляет анод сильно нагреваться, достигая температуры примерно 3600° Кельвина (3326° по Цельсию). Хотя температура катода намного ниже этой, он все равно будет достаточно горячим, чтобы расплавить большинство металлов.

Усилие, используемое при ударной сварке, трудно измерить, потому что оно скорее динамическое, чем статическое, и зависит от скорости и массы движущейся детали и движущихся частей машины.

Для получения хороших сварных швов усилие сварки необходимо регулировать эмпирическим путем, пока не будет достигнуто надлежащее качество сварки.Сварочное усилие может создаваться электромагнитом, силой тяжести, прямым приводом с кулачковым приводом или пружиной, в зависимости от типа сварочного аппарата и соединяемых деталей.

При ударной сварке используются три метода зажигания дуги.

При высоковольтном пуске дуга зажигается путем приложения к заготовкам напряжения постоянного тока, достаточно высокого для преодоления сопротивления воздуха в зазоре между заготовками при их движении навстречу друг другу. Воздух ионизируется, и начинается подача сварочного тока.

В методе RF-START процесс включает наложение высокочастотного переменного тока высокого напряжения на постоянный ток низкого напряжения через зазор между заготовками. Высокочастотное поле ионизирует воздух в промежутке, создавая дугу, а постоянный ток низкого напряжения от конденсаторов поддерживает дугу. Этот метод зажигания дуги используется в некоторых низковольтных сварочных аппаратах ударного действия с конденсаторным разрядом. Это устраняет необходимость подготовки наконечника на одной из заготовок

.

В третьем методе STARTER NIB изготавливается, как показано на рисунке 5A, на одной из заготовок путем разрезания ее под углом или в форме кончика долота.Постоянный ток низкого напряжения, подаваемый конденсаторами, при соединении двух заготовок создает достаточно тепла, чтобы расплавить перо, которое нагревается так быстро, что происходит взрыв расплавленных частиц. Этот взрыв способствует дальнейшему формированию электрической дуги, которая затем постепенно распространяется по месту соединения.

По мере того, как детали приближаются к контакту, а конденсаторы разряжаются, расплавляя наконечник, сильный нагрев дуги нагревает поверхность рабочей поверхности до температуры плавления за долю миллисекунды.Когда одна заготовка ударяется о другую с высокой скоростью, расплавленный металл выбрасывается из границы рабочей поверхности, и заготовки соединяются вместе, чтобы завершить сварку. Последовательность шагов графически показана слева на рис. 5.

Тщательный контроль напряжения, емкости, скорости удара и предельного сопротивления важен для получения качественного сварного шва. Напряжение и емкость определяют количество энергии, хранящейся в системе, и, таким образом, способность дуги выделять тепло.Скорость удара определяет количество энергии ковки. Ограничительное сопротивление регулирует пиковый разрядный ток.

Взаимодействие этих четырех параметров определяет продолжительность дуги и время дугового разряда. Быстрое сближение заготовок вызывает дуговой разряд.

Обычно условия регулируются таким образом, чтобы получить кратчайшее время дуги, позволяющее стабильно получать сварные швы с требуемыми свойствами. Если заготовки соединяются слишком рано, дуга гаснет до того, как рабочие поверхности обеих заготовок расплавятся.Если удар задерживается слишком долго после зажигания дуги, расплавленные границы раздела могут затвердеть, не позволяя вытеснению оксидов и избыточного расплавленного металла.

Как показано в правом верхнем углу Рис. 5, пиковый сварочный ток достигается почти сразу после зажигания дуги (точка A). Затем ток быстро затухает во время дугового разряда (точка B). Ток увеличивается до вторичного пика при контакте заготовок (точка C) из-за внезапного падения электрического сопротивления, а затем спадает до нуля в течение дополнительных 3–5 миллисекунд.

Как показано в правом нижнем углу рисунка 5, напряжение на сварном шве очень быстро снижается (точка A) до части его начального значения холостого хода, когда дуга инициируется близким приближением движущейся детали к неподвижной детали. кусок. Затем напряжение снижается менее быстро (точка B) по мере продолжения дугового разряда. Дуга гаснет при контакте заготовок (точка C). После типичного времени дуги 0,25 и 1,15 мс напряжение почти мгновенно падает почти до нуля.

Большая разница в температуре плавления молибдена и циркониевой меди диктует, что единственным практическим методом соединения этих металлов является использование ударно-дуговой сварки.

Для запуска сварочного тока можно использовать любой из трех методов зажигания, упомянутых в разделе о запуске дуги. Однако наиболее распространенными методами являются NIB и RF START. Из-за низкой температуры плавления циркониевой меди по сравнению с температурой плавления молибдена при сварке из сварного соединения выходит довольно большое количество циркониевой меди.

Эти сварочные брызги могут вызвать проблемы. Проблемы заключаются в избытке меди на поверхности молибденовой заготовки и загрязнении рабочей зоны и станков, что может помешать последовательной сварке последовательности деталей.

Одним из решений является сварка в масляной ванне для затвердевания и удаления горячих частиц меди, как только они покидают зону сварки. Эта масляная ванна также помогает контролировать процесс сварки, создавая атмосферу с пониженным содержанием кислорода во время сварки.

Когда масло используется для сдерживания сварочных брызг, NIB START является наиболее приемлемым средством запуска сварного шва.Метод RF START неприемлем для использования с маслом, поскольку диэлектрическая прочность масла повлияет на время высокочастотного разряда и предотвратит прочную сварку заготовок.

CIT имеет опыт сварки тантала с танталом с 1979 года по настоящее время. Модель CIT 7200/1 с нестандартным блоком питания была разработана специально для приваривания танталовой анодной проволоки к танталовому аноду.

Энергия, необходимая для сварки, накапливается в электролитических конденсаторах, которые заряжаются от регулируемого источника постоянного тока через токоограничивающий резистор до заданного напряжения.Затем заряженные конденсаторы подключаются к первичной обмотке сварочного трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора соединяется с заготовками, где сварка завершена.

Процесс сварки сопротивлением хорошо подходит для этого типа сварки, потому что тантал при нагревании сильно реагирует с кислородом и другими газами и может воспламениться от электрической дуги. Сварка сопротивлением не создает дуги, которая могла бы вызвать быстрое окисление порошкообразной заготовки тантала. Он также сводит к минимуму воздействие как кислорода, так и азота
, которые могут вызвать образование оксидов и нитридов в сварном соединении и в области вокруг сварного шва.

С танталовыми анодами обращаются очень осторожно, чтобы предотвратить их физическое повреждение и загрязнение маслом. Они подаются из чаши вибрационного питателя через направляющую из нержавеющей стали в инжекторы из закаленной стали и узлы подачи штифтов к сварочным губкам из вольфрамовой меди. Танталовая вертикальная проволока подается с катушки на вращающийся станок для правки проволоки. Нейлон используется в штампах для выпрямления из-за высокой абразивности тантала. После правки проволока измеряется и подается в нож из карбида вольфрама и штамп, разрезается и помещается в сварочные губки из вольфрамовой меди.Поскольку тантал очень абразивный, пыль, которая накапливается на сварочных аппаратах, должна удаляться путем ежедневной очистки, чтобы предотвратить чрезмерный износ движущихся частей.

После позиционирования в сварочных губках обе детали соединяются вместе, и на них оказывается давление с помощью предварительно нагруженных пружинных плунжеров. Конденсаторы подключаются к первичной обмотке сварочного трансформатора, после чего через две заготовки пропускается сильный ток, что приводит к сварке. Ток и время сварки варьируются в зависимости от размера проволоки и плотности анода, но типичный ток будет составлять примерно 173 ампер в пиковом режиме в течение примерно 100 мА.005
секунд (5 мс). Высокий ток в течение этого короткого времени вызывает очень интенсивный нагрев поверхности раздела двух заготовок с относительно высоким сопротивлением. Это вызывает быстрое образование ванны расплавленного тантала, которая становится локализованным узлом сварки. Сварочный аппарат оснащен переключаемыми батареями конденсаторов с полностью регулируемым источником питания постоянного тока, который позволяет точно регулировать энергию сварки.

Большая часть нашей работы была выполнена с цилиндрическими анодными таблетками, но у нас также есть опыт работы с прямоугольными анодами.Диапазон размеров цилиндрических деталей составляет диаметры от 0,8 мм до 3,5 мм и длины от 1,95 мм до 7,4 мм. Типичные прямоугольные детали имеют размеры 2,30 мм x 4,00 мм x 0,75 мм. Диаметр проволоки составляет от 0,3 мм до 0,4 мм при длине 12,7 мм.
Анодные таблетки меньшего размера могут быть сварены с модификацией инструментов и регулировкой источника питания сварочного аппарата. Плотность порошка этих анодных гранул варьируется, но они не представляют реальной проблемы при сварке, если они достаточно прочны, чтобы без повреждений выдерживать подачу вибрационной чаши
и последующее зажимание сварочных кулачков.CIT проверит плотность гранул до принятия любого заказа на сварочное оборудование. Обратите внимание: все сварочные работы, которые мы выполняли до этого момента, выполнялись на анодах, которые были ОДНОКРАТНО ФОРМОВАНЫ и СПЕЧЕНЫ перед сваркой. После сварки готового узла анода с проволокой-опускателем он подвергается ВТОРОМУ СПЕКЛЕНИЮ. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Этот сварной шов, показанный на рис. 7, обычно используется при изготовлении танталовых конденсаторов для соединения никелевого подводящего провода с танталовым анодным стояком.Можно использовать сварку сопротивлением, поскольку тантал и никель обеспечивают относительно высокую точку сопротивления на границе раздела обрабатываемой детали. Однако короткая анодная проволока стояка и покрытие из пятиокиси тантала, которое находится на поверхности стояка, диктуют необходимость сварки внахлестку, а не встык.

Использование ударной сварки для приварки стояка к никелевому проводу позволяет автоматически подавать незакрепленные аноды через вибрационный питатель в автоматический сварочный аппарат. Относительно высокие напряжения и низкие токи, типичные для ударной сварки, позволяют сварочным губкам, зажимающим короткую анодную проволоку, иметь малые размеры и быть изготовленными из материала, обладающего длительным сроком службы, такого как вольфрам или инструментальная сталь.Высокое напряжение ударной сварки легко преодолевает изоляционные свойства пятиокиси тантала, покрывающей проволоку стояка, и сводит к минимуму эффект несколько более высокого сопротивления на границе раздела зажима и провода стояка.

Мазок

Медное покрытие, которое протаскивают по отрезанному концу дюмета во время резки заготовки (см. рис. 10А ниже).

Сварной узел

Сварная кромка вокруг контакта проволоки с заготовкой (рис. 10B).

Топорная сварка

Незавершенная кромка сварного шва между заготовкой и хвостовой проволокой, которая, кажется, была прорезана топором (Рисунок 10C).

Отрыв/Отсечка (BO/CO)

Два эффекта разрезания пули дюмета. Отлом — это неразрезанная часть пули. Обрезка – гладкий срез.

Наклон

Степень наклона слага к проводу.

Заусенец

Деформированный металл на каждом конце отрезанной заготовки, вызванный износом режущего инструмента.

Tir (Общее указанное биение)

Мера концентричности между проволокой и заготовкой, как указано

Наконечник для начинающих

Небольшая точка, вырезанная на одной заготовке, которая выжигается начальным сварочным током и используется для запуска сварочной дуги.

Сварка сопротивлением

Преимущества

Этот метод позволяет выполнять очень маленькие и прочные сварные швы из аналогичного металла, такого как CCFE, с дюметом. Скорость сварки свыше 500 стр./мин.

На заготовках большого диаметра можно использовать несколько циклов линии переменного тока для более медленного нагрева.

Низкое сварочное напряжение:
1,56 В переменного или постоянного тока.

Недостатки

Заготовки должны быть подготовлены с относительно высоким сопротивлением в точке сварного соединения.

Сварочные токи высоки, поэтому требуются очень плотные сварочные губки с низким сопротивлением, которые быстрее изнашиваются из-за давления материала и тепла.

Ударная дуга и РЧ-сварка «Старт» ударной сваркой

Преимущества

Сварка разнородных металлов, меди со сталью.

Эти сварочные аппараты обычно имеют длительный срок службы сварочных клещей из-за очень короткого сварочного импульса относительно низкого тока.

Сварка металлов с высокой температурой плавления, таких как вольфрам, молибден.

Недостатки

Сварка обычно более грязная и менее гладкая, чем сварка сопротивлением.

При ударной дуговой сварке со стартовым наконечником на заготовку необходимо нарезать стартовый наконечник.

При ударной дуговой сварке со стартом «RF» на обрабатываемых деталях не должно быть масла или грязи.

Высокое сварочное напряжение: от 50 до 300 В постоянного тока.

Закон Ома – Лаборатория ElectronX

Глава 2: Закон Ома

Цепи постоянного тока Содержание
Видео на странице

История закона Ома за 60 секунд

Основы закона Ома за 60 секунд

падение потенциала.

Георг Саймон Ом

В этом видео кратко рассказывается о происхождении закона Ома, описывается, что это такое, и рассказывается об устройствах, которые следуют ему, и устройствах, которые ему не следуют.

Электрическая цепь образуется, когда создается проводящий путь, позволяющий свободным электронам непрерывно двигаться. Это непрерывное движение свободных электронов через проводники цепи называется током , и его часто называют «потоком», точно так же, как течение жидкости через полую трубу.

Сила, побуждающая электроны «течь» по цепи, называется напряжением . Напряжение — это особая мера потенциальной энергии, которая всегда является относительной между двумя точками. Когда мы говорим об определенном напряжении, присутствующем в цепи, мы имеем в виду измерение того, сколько потенциальной энергии существует для перемещения электронов из одной конкретной точки этой цепи в другую конкретную точку. Без ссылки на две особые точки термин «напряжение» не имеет смысла.

Свободные электроны имеют тенденцию двигаться по проводникам с некоторой степенью трения или противодействия движению. Это противодействие движению правильнее назвать сопротивлением . Величина тока в цепи зависит от величины напряжения, доступного для возбуждения электронов, а также величины сопротивления в цепи, препятствующего потоку электронов. Как и напряжение, сопротивление является величиной относительной между двумя точками. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как находящиеся «между» или «поперек» двух точек цепи.

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, мы должны уметь описывать их величины таким же образом, как мы могли бы количественно определять массу, температуру, объем, длину или любую другую физическую величину. Для массы мы могли бы использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы могли бы использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. Вот стандартные единицы измерения для электрического тока, напряжения, и сопротивления:

Количество Символ Устройство измерения Блок аббревиатуры
Ток I Ampere (AMP)
Напряжение E или V E или V V V R
R R R OHM \ Omega \ Omega

«Символ», указанный для каждого количества, является стандартным алфавитным письмом используется для представления этой величины в алгебраическом уравнении.Подобные стандартные буквы распространены в физических и инженерных дисциплинах и признаны во всем мире. «Сокращение единиц измерения» для каждой величины представляет собой алфавитный символ, используемый в качестве сокращенного обозначения для конкретной единицы измерения. И да, этот странно выглядящий символ «подкова» — это заглавная греческая буква Ω, просто символ иностранного алфавита (извиняюсь перед любыми греческими читателями).

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М.Ампер, вольт после итальянца Алессандро Вольта и ом после немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя, тогда как «I» для тока кажется немного странным. Считается, что «I» означает «интенсивность» (потока электронов), а другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущая сила». Судя по тому исследованию, которое мне удалось провести, есть некоторые разногласия по поводу значения «я».Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах буква «E» резервируется для обозначения напряжения на источнике (например, батареи или генератора), а «V» — для обозначения напряжения на чем-либо еще.

Все эти символы обозначаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (называемого «мгновенным» значением). Например, напряжение батареи, стабильное в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «Е», а пик напряжения удара молнии в тот момент, когда она попадает в линию электропередач, скорее всего, будет быть обозначено строчной буквой «e» (или строчной «v»), чтобы обозначить это значение как значение в один момент времени.Это же соглашение о строчных буквах верно и для текущего: строчная буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока (DC), будучи стабильными во времени, будут обозначены заглавными буквами.

Одной из основных единиц электрических измерений, которую часто изучают в начале курсов по электронике, но редко используют впоследствии, является единица измерения кулонов , которая является мерой электрического заряда, пропорциональной количеству электронов в несбалансированном состоянии.Один кулон заряда равен 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулонов обозначается заглавной буквой «C». Так получилось, что единица потока электронов, ампер, равна 1 кулону электронов, проходящих через данную точку цепи за 1 секунду времени. В этих терминах ток — это 90 575 скорость движения электрического заряда 90 576 через проводник.

Как было сказано ранее, напряжение является мерой потенциальной энергии на единицу заряда , доступной для перемещения электронов из одной точки в другую.Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общей метрической единицей энергии любого вида является джоулей , что равно количеству работы, выполняемой силой в 1 ньютон при движении на 1 метр (в том же направлении). В британских подразделениях это чуть меньше 3/4 фунта силы, прилагаемой на расстоянии 1 фута. Проще говоря, требуется около 1 джоуля энергии, чтобы поднять груз массой 3/4 фунта на 1 фут от земли или перетащить что-либо на расстояние 1 фут, используя параллельную тяговую силу 3/4 фунта.В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоулю потенциальной электрической энергии на 1 кулон заряда (деленный на). Таким образом, 9-вольтовая батарея высвобождает 9 джоулей энергии на каждый кулон электронов, перемещаемых по цепи.

Эти единицы и символы для электрических величин станут очень важными для понимания, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях. Первое и, возможно, самое важное соотношение между током, напряжением и сопротивлением называется законом Ома. Он был открыт Георгом Саймоном Омом и опубликован в его статье 1827 года «. Математическое исследование гальванической цепи» .Основное открытие Ома заключалось в том, что количество электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи, прямо пропорционально приложенному к нему напряжению при любой заданной температуре. Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением:

E = IR

В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя методы алгебры, мы можем преобразовать это уравнение в два варианта, решив для I и для R соответственно:

\large{I = \frac{E}{R}}

\large{ R = \frac{E}{I} }

Давайте посмотрим, как эти уравнения могут помочь нам проанализировать простые схемы:

В приведенной выше схеме есть только один источник напряжения (батарея на слева) и только один источник сопротивления току (лампа справа).Это позволяет очень легко применять закон Ома. Если нам известны значения любых двух из трех величин (напряжение, ток и сопротивление) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей.

В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи при заданных значениях напряжения (E) и сопротивления (R):

Какова величина тока (I) в этой цепи?

\large{I = \frac{E}{R} = \frac{12V}{3\Omega} = 4A}

Во втором примере мы рассчитаем величину сопротивления (R) в цепи при заданных значениях напряжения (E) и силы тока (I):

Каково сопротивление (R) лампы?

\large{ R = \frac{E}{I} = \frac{36V}{4A} = 9\Omega }

В последнем примере мы рассчитаем количество напряжения, подаваемого батареей, при заданных значениях тока (I) и сопротивление (R):

Какое напряжение обеспечивает батарея?

\large{E = IR = (2A)(7\Omega) = 14V}
Видео: расчеты по закону Ома

Примеры расчета напряжения, тока и сопротивления с использованием закона Ома

Закон Ома — очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей.Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что серьезный студент должен запомнить его. Для тех, кто еще не освоился с алгеброй, есть хитрость, позволяющая запомнить, как решать любую одну величину, зная две другие. Сначала расположите буквы E, I и R в виде треугольника:

Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто уберите R с картинки и посмотрите, что осталось:

Если вы знаете E и R и хотите определить I, исключите I и посмотрите, что останется:

Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, исключите E и посмотрите, что осталось:

В конце концов, вам придется быть знакомым с алгеброй, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, но этот совет может облегчить запоминание ваших первых вычислений.Если вы хорошо разбираетесь в алгебре, все, что вам нужно сделать, это запомнить E=IR и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!

  • ОБЗОР:
  • Напряжение измеряется в вольт , обозначается буквами «Е» или «V».
  • Ток измеряется в амперах , обозначается буквой «I».
  • Сопротивление, измеренное в Ом , обозначенное буквой «R».
  • Закон Ома: \large{ E = IR ; я = Э/Р; R = E/I}

Закон Ома также интуитивно понятен, если применить его к аналогии с водой и трубой.Если у нас есть водяной насос, который создает давление (напряжение), чтобы проталкивать воду по «контуру» (току) через ограничение (сопротивление), мы можем смоделировать взаимосвязь трех переменных. Если сопротивление потоку воды остается прежним, а давление насоса увеличивается, скорость потока также должна увеличиваться.

Если давление остается прежним, а сопротивление увеличивается (что затрудняет течение воды), то расход должен уменьшаться:

Если расход остается прежним, а сопротивление потоку уменьшается, то требуемое давление от насоса обязательно уменьшится:

Как ни странно, реальная математическая зависимость между давлением, расходом и сопротивлением для таких жидкостей, как вода, на самом деле более сложна, чем для электронов.Если вы продолжите изучение физики, вы обнаружите это для себя. К счастью для студента-электронщика, математика закона Ома очень понятна и проста.

  • ОБЗОР:
  • При постоянном сопротивлении ток следует за напряжением (увеличение напряжения означает увеличение тока, и наоборот).
  • При постоянном напряжении изменения тока и сопротивления противоположны (увеличение тока означает уменьшение сопротивления и наоборот).
  • При постоянном токе напряжение следует за сопротивлением (увеличение сопротивления означает увеличение напряжения).

В дополнение к напряжению и току существует еще одна мера активности свободных электронов в цепи: мощность . Во-первых, нам нужно понять, что такое мощность, прежде чем анализировать ее в каких-либо цепях.

Это видео и приведенное ниже описание должны дать вам общее представление о том, что такое мощность и как она применяется к электрическим цепям.

Мощность — это мера того, какой объем работы может быть выполнен за заданный промежуток времени. Работа обычно определяется как поднятие тяжестей против силы тяжести. Чем тяжелее вес и/или чем выше он поднят, тем больше работы было проделано. Мощность — это показатель того, насколько быстро выполняется стандартный объем работы.

Для американских автомобилей мощность двигателя измеряется в единицах, называемых «лошадиными силами», которые первоначально были изобретены производителями паровых двигателей для количественной оценки работоспособности их машин с точки зрения наиболее распространенного в то время источника энергии: лошадей.Одна лошадиная сила определяется в британских единицах как 550 ft-lbs работы в секунду времени. Мощность двигателя автомобиля не указывает на то, насколько высокий холм он может подняться или какой вес он может буксировать, но он показывает, насколько быстро он может подняться на определенный холм или буксировать определенный вес.

Мощность механического двигателя зависит как от частоты вращения двигателя, так и от его крутящего момента на выходном валу. Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту или об/мин.Крутящий момент — это количество крутящего момента, создаваемого двигателем, и обычно измеряется в фунтах-футах или фунтах-футах (не путать с фут-фунтами или фут-фунтами, которые являются единицей измерения работы). Ни скорость, ни крутящий момент сами по себе не являются мерой мощности двигателя.

Дизельный двигатель трактора мощностью 100 л.с. вращается относительно медленно, но обеспечивает большой крутящий момент. Мотоциклетный двигатель мощностью 100 лошадиных сил будет вращаться очень быстро, но обеспечит относительно небольшой крутящий момент. Оба будут производить 100 лошадиных сил, но с разными скоростями и разными крутящими моментами.Уравнение для мощности на валу простое:

\large{лошадиных сил = \frac{2 \pi ST}{33,000} }
Где,
  • S = частота вращения вала в об/мин.
  • T = крутящий момент на валу в фунто-футах

Обратите внимание, что в правой части уравнения есть только два переменных члена, S и T. Все остальные члены в этой части постоянны: 2, пи и 33 000 — все константы (значения не меняются). Мощность меняется только при изменении скорости и крутящего момента, больше ничего. Мы можем переписать уравнение, чтобы показать это отношение:

\large{лошадиных сил \propto ST }

\large{\propto} означает «пропорционально

Поскольку единица «лошадиной силы» не совпадает точно со скоростью в оборотов в минуту, умноженных на крутящий момент в фунт-футах, мы не можем сказать, что лошадиных сил равняются ST.Однако они пропорциональны друг другу. При изменении математического произведения ST значение лошадиных сил изменится в той же пропорции.

В электрических цепях мощность зависит как от напряжения, так и от тока. Неудивительно, что это соотношение имеет поразительное сходство с приведенной выше формулой «пропорциональной» мощности в лошадиных силах:

\large{P=IV}

Однако в этом случае мощность (P) точно равна току (I), умноженному на напряжение (E) , а не просто быть пропорциональным IE.При использовании этой формулы единицей измерения мощности является ватт , сокращенно буквой «Вт».

Необходимо понимать, что ни напряжение, ни ток сами по себе не являются мощностью. Скорее, мощность представляет собой комбинацию напряжения 90 575 и тока 90 576 в цепи. Помните, что напряжение — это удельная работа (или потенциальная энергия) на единицу заряда, а ток — это скорость, с которой электрические заряды перемещаются по проводнику. Напряжение (удельная работа) аналогично работе, совершаемой при подъеме веса против силы тяжести.Текущая (скорость) аналогична скорости, с которой этот вес поднимается. Вместе как продукт (умножение), напряжение (работа) и ток (скорость) составляют мощность.

Как и в случае дизельного двигателя трактора и двигателя мотоцикла, цепь с высоким напряжением и малым током может рассеивать такое же количество энергии, как цепь с низким напряжением и большим током. Ни величина напряжения сама по себе, ни величина тока сама по себе не указывают на величину мощности в электрической цепи.

В разомкнутой цепи, где между клеммами источника присутствует напряжение, а ток равен нулю, рассеивается нулевая мощность, независимо от того, насколько велико это напряжение. Поскольку P=IE и I=0, а все, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в любой разомкнутой цепи, должна быть равна нулю. Точно так же, если бы у нас была короткая цепь, состоящая из петли сверхпроводящего провода (абсолютно нулевого сопротивления), мы могли бы иметь состояние тока в петле с нулевым напряжением, и точно так же никакая мощность не рассеивалась бы.Поскольку P=IE и E=0, а все, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в сверхпроводящем контуре, должна быть равна нулю. (Мы рассмотрим тему сверхпроводимости в одной из последующих глав).

Измеряем ли мы мощность в единицах «лошадиных сил» или единицах «ватт», мы все равно говорим об одном и том же: сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени. Эти две единицы численно не равны, но они выражают одно и то же. На самом деле, европейские производители автомобилей обычно указывают мощность своих двигателей в киловаттах (кВт) или тысячах ватт, а не в лошадиных силах! Эти две единицы мощности связаны друг с другом простой формулой преобразования:

\large{1 лошадиная сила = 745.7 Вт }

Таким образом, наши дизельные и мотоциклетные двигатели мощностью 100 л.с. также могут быть оценены как двигатели мощностью 74570 ватт, или, точнее, как двигатели мощностью 74,57 киловатта. В европейских технических спецификациях этот рейтинг был бы скорее нормой, чем исключением.

  • ОБЗОР:
  • Мощность — это мера того, какой объем работы может быть выполнен за определенный промежуток времени.
  • Механическая мощность обычно измеряется (в Америке) в лошадиных силах.
  • Электрическая мощность почти всегда измеряется в «ваттах» и может быть рассчитана по формуле P = IE.
  • Электрическая мощность является произведением напряжения и тока , а не каждого отдельно.
  • Лошадиная сила и ватт — это просто две разные единицы для описания одного и того же физического измерения, где 1 лошадиная сила равна 745,7 ватта.

В этом видео показано, как использовать закон Джоуля для расчета электрической мощности в цепях

Мы видели формулу для определения мощности в электрической цепи: умножая напряжение в «вольтах» на силу тока в «амперах», мы получите ответ в «ваттах».Давайте применим это к примеру схемы:

В приведенной выше схеме мы знаем, что у нас есть напряжение батареи 18 вольт и сопротивление лампы 3 Ом. Используя закон Ома для определения тока, мы получаем:

\large{I=\frac{E}{R}=\frac{18V}{3\Omega}=6A}

Теперь, когда мы знаем ток, мы можем принять это значение и умножить на напряжение для определения мощности:

\large{P=VI=(18V)(6A) = 108W }

Ответ: лампа рассеивает (выделяет) 108 ватт мощности, скорее всего в виде обоих свет и тепло.

Давайте попробуем взять ту же схему и увеличить напряжение батареи, чтобы посмотреть, что произойдет. Интуиция должна подсказывать нам, что ток цепи будет увеличиваться по мере увеличения напряжения, а сопротивление лампы останется прежним. Точно так же увеличится и мощность:

Теперь напряжение батареи 36 вольт вместо 18 вольт. Лампа все еще обеспечивает 3 Ом электрического сопротивления потоку электронов. Ток теперь:

\large{I=\frac{V}{R}=\frac{36V}{3\Omega}=12A }

Это понятно: если I = V/R, и мы удваиваем V в то время как R остается прежним, ток должен удвоиться.Действительно, имеет: у нас теперь 12 ампер тока вместо 6. А что с мощностью?

\large{P=VI=(36V)(12A)=432W }

Обратите внимание, что мощность увеличилась, как мы и подозревали, но она увеличилась немного больше, чем ток. Почему это? Поскольку мощность является функцией напряжения, умноженного на ток, а и напряжение, и ток удваиваются по сравнению с их предыдущими значениями, мощность увеличится в 2 x 2 или 4 раза. Вы можете проверить это, разделив 432 Вт на 108 Вт. и видя, что соотношение между ними действительно равно 4.2R }

Историческое примечание: именно Джеймс Прескотт Джоуль, а не Георг Саймон Ом, первым открыл математическую связь между рассеиваемой мощностью и током через сопротивление. Это открытие, опубликованное в 1841 году, соответствовало форме последнего уравнения (P = I 2 R) и известно как закон Джоуля. Однако эти уравнения мощности настолько часто ассоциируются с уравнениями закона Ома, связывающими напряжение, ток и сопротивление (E=IR , I=E/R и R=E/I), что их часто приписывают Ому.2}{R}}

Поскольку зависимость между напряжением, током и сопротивлением в любой цепи очень регулярна, мы можем надежно контролировать любую переменную в цепи, просто контролируя две другие. Возможно, самой легкой для управления переменной в любой цепи является ее сопротивление. Это можно сделать, изменив материал, размер и форму его проводящих компонентов (помните, как тонкая металлическая нить накала лампы создавала большее электрическое сопротивление, чем толстая проволока?).

Специальные компоненты, называемые резисторами , изготавливаются специально для создания точного сопротивления для включения в цепь.Обычно они изготавливаются из металлической проволоки или углерода и спроектированы так, чтобы поддерживать стабильное значение сопротивления в широком диапазоне условий окружающей среды. В отличие от ламп, они не излучают свет, но производят тепло, так как электрическая мощность рассеивается ими в рабочей цепи. Однако обычно целью резистора является не производство полезного тепла, а просто обеспечение точного электрического сопротивления.

Наиболее распространенным символом резистора на схеме является зигзагообразная линия:

Номиналы резисторов в омах обычно указываются рядом, а если в цепи присутствует несколько резисторов, они будут помечены уникальным идентификационным номером например, R 1 , R 2 , R 3 и т. д.Как вы видите, символы резисторов могут отображаться как горизонтально, так и вертикально:

Реальные резисторы совсем не похожи на зигзагообразный символ. Вместо этого они выглядят как небольшие трубки или цилиндры с двумя выступающими проводами для подключения к цепи. Вот выборка резисторов различных типов и размеров:

Чтобы больше соответствовать их внешнему виду, альтернативный схематический символ резистора выглядит как маленькая прямоугольная коробка:

Также можно показать, что резисторы имеют изменяющиеся, а не фиксированные сопротивления.Это может быть сделано с целью описания реального физического устройства, предназначенного для обеспечения регулируемого сопротивления, или может быть показано, что какой-то компонент имеет нестабильное сопротивление:

На самом деле, каждый раз, когда вы видите компонент символ, нарисованный с диагональной стрелкой через него, этот компонент имеет переменное, а не фиксированное значение. Этот символ «модификатор» (диагональная стрелка) является стандартным соглашением об электронных символах.

Переменные резисторы должны иметь какие-либо физические средства регулировки, либо вращающийся вал, либо рычаг, который можно перемещать для изменения величины электрического сопротивления.Вот фотография, показывающая некоторые устройства, называемые потенциометрами , которые можно использовать в качестве переменных резисторов:

Поскольку резисторы рассеивают тепловую энергию по мере того, как электрический ток через них преодолевает «трение» их сопротивления, резисторы также оцениваются с точки зрения того, насколько много тепловой энергии они могут рассеять, не перегреваясь и не получая повреждений. Естественно, эта номинальная мощность указывается в физических единицах «ватт». Большинство резисторов в небольших электронных устройствах, таких как портативные радиоприемники, имеют номинал 1/4 (0.25) ватт или меньше. Номинальная мощность любого резистора примерно пропорциональна его физическому размеру. Обратите внимание на первую фотографию резистора, как номинальная мощность связана с размером: чем больше резистор, тем выше его мощность рассеяния. Также обратите внимание, что сопротивления (в омах) никак не связаны с размером!

Хотя сейчас может показаться бессмысленным иметь устройство, которое ничего не делает, кроме сопротивления электрическому току, резисторы являются чрезвычайно полезными устройствами в цепях. Поскольку они просты и широко используются в мире электричества и электроники, мы потратим значительное количество времени на анализ схем, состоящих только из резисторов и батарей.

Для практической иллюстрации полезности резисторов рассмотрите фотографию ниже. Это изображение печатной платы или печатной платы : сборка, состоящая из прослоенных слоев изолирующей фенольно-волокнистой плиты и проводящих медных полос, в которые можно вставлять компоненты и закреплять их с помощью процесса низкотемпературной сварки, называемого «пайка». Различные компоненты на этой печатной плате обозначены напечатанными этикетками. Резисторы обозначаются любой маркировкой, начинающейся с буквы «R».

Эта конкретная печатная плата представляет собой компьютерную принадлежность, называемую модемом, которая позволяет передавать цифровую информацию по телефонным линиям. На плате этого модема можно увидеть не менее дюжины резисторов (все рассчитаны на рассеиваемую мощность 1/4 Вт). Каждый из черных прямоугольников (называемых «интегральными схемами» или «чипами») также содержит собственный набор резисторов для своих внутренних функций.

Другой пример печатной платы показывает резисторы, упакованные в еще меньшие блоки, называемые «устройствами для поверхностного монтажа».Эта конкретная печатная плата представляет собой нижнюю часть жесткого диска персонального компьютера, и еще раз припаянные к ней резисторы обозначены этикетками, начинающимися с буквы «R»:

На этой схеме имеется более ста резисторов для поверхностного монтажа. плате, и это количество, конечно, не включает количество резисторов, встроенных в черные «микросхемы». Эти две фотографии должны убедить любого, что резисторы — устройства, которые «просто» препятствуют потоку электронов, — очень важные компоненты в области электроники!

На принципиальных схемах символы резисторов иногда используются для иллюстрации любого общего типа устройства в цепи, выполняющего какую-либо полезную функцию с использованием электрической энергии.Любое неспецифическое электрическое устройство обычно называется нагрузкой , поэтому, если вы видите схематическую диаграмму, показывающую символ резистора, помеченный как «нагрузка», особенно в учебной принципиальной схеме, объясняющей какую-либо концепцию, не связанную с фактическим использованием электроэнергии, этот символ может быть просто своего рода сокращенным представлением чего-то более практичного, чем резистор.

Чтобы обобщить то, что мы узнали в этом уроке, давайте проанализируем следующую схему, определяя все, что мы можем из предоставленной информации: ток цепи (2 ампера).Мы не знаем ни сопротивления резистора в омах, ни рассеиваемой им мощности в ваттах. Просматривая наш массив уравнений закона Ома, мы находим два уравнения, которые дают нам ответы на основе известных величин напряжения и тока:

\large{R=\frac{V}{I} } и \large{P=VI}

Подставляя известные величины напряжения (E) и тока (I) в эти два уравнения, мы можем определить сопротивление цепи (R) и рассеиваемую мощность (P):

\large{ R=\frac{10V}{2A}=5 \Омега } \large{ R=(2A)(10V)=20W }

Для условий цепи 10 вольт и 2 ампер сопротивление резистора должно быть 5 Ω.Если бы мы разрабатывали схему для работы при этих значениях, нам пришлось бы указать резистор с минимальной номинальной мощностью 20 Вт, иначе он перегреется и выйдет из строя.

  • ОБЗОР:
  • Устройства, называемые резисторами , созданы для обеспечения точного значения сопротивления в электрических цепях. Резисторы оцениваются как по сопротивлению (Ом), так и по способности рассеивать тепловую энергию (Вт).
  • Номинальные значения сопротивления резистора не могут быть определены исходя из физического размера рассматриваемого резистора(ов), хотя приблизительная номинальная мощность может быть определена.Чем больше резистор, тем большую мощность он может рассеять без повреждений.
  • Любое устройство, которое выполняет какую-либо полезную работу с помощью электроэнергии, обычно называется нагрузкой . Иногда символы резисторов используются на принципиальных схемах для обозначения неспецифической нагрузки, а не фактического резистора.

«Успех достигается за счет ответов на вопросы. Открытия делаются путем поиска ответов».

Бернхард Хейш, астрофизик

Закон Ома — это простой и мощный математический инструмент, помогающий нам анализировать электрические цепи, но у него есть ограничения, и мы должны понимать эти ограничения, чтобы правильно применять его к реальным цепям.Для большинства проводников сопротивление является довольно стабильным свойством, практически не зависящим от напряжения или силы тока. По этой причине мы можем считать сопротивление многих компонентов схемы постоянным, а напряжение и ток напрямую связаны друг с другом.

Например, в нашем предыдущем примере схемы с лампой 3 Ом мы рассчитали ток в цепи, разделив напряжение на сопротивление (I=E/R). С 18-вольтовой батареей ток нашей цепи составлял 6 ампер. Удвоение напряжения батареи до 36 вольт привело к удвоению тока в 12 ампер.Все это, конечно, имеет смысл, пока лампа продолжает обеспечивать точно такое же трение (сопротивление) потоку электронов через нее: 3 Ом.

Однако реальность не всегда так проста. Одно из явлений, рассмотренных в одной из последующих глав, — это изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры. В лампе накаливания (в которой используется принцип нагрева тонкой проволоки накала электрическим током до такой степени, что она раскаляется до белого каления) сопротивление нити накала будет резко увеличиваться по мере того, как она нагревается от комнатной температуры до рабочей температуры.Если бы мы увеличили напряжение питания в реальной цепи лампы, результирующее увеличение тока вызвало бы повышение температуры нити накала, что, в свою очередь, увеличило бы ее сопротивление, тем самым предотвратив дальнейшее увеличение тока без дальнейшего увеличения напряжения батареи. Следовательно, напряжение и ток не подчиняются простому уравнению «I=E/R» (где R предполагается равным 3 Ом), потому что сопротивление нити накала лампы накаливания не остается стабильным при различных токах.

Явление изменения сопротивления при изменении температуры характерно почти для всех металлов, из которых изготовлено большинство проводов.Для большинства применений эти изменения сопротивления достаточно малы, чтобы ими можно было пренебречь. При применении металлических нитей накаливания изменение оказывается довольно большим.

Это всего лишь один пример «нелинейности» в электрических цепях. Это далеко не единственный пример. «Линейная» функция в математике — это функция, которая следует прямой линии при нанесении на график. Упрощенная версия схемы лампы с постоянным сопротивлением нити накала 3 Ом дает такой график:

Прямолинейный график зависимости тока от напряжения показывает, что сопротивление является стабильным, неизменным значением для широкого диапазона напряжений и токов в цепи. .В «идеальной» ситуации так и есть. Резисторы, которые изготавливаются для обеспечения определенного стабильного значения сопротивления, ведут себя очень похоже на график значений, показанный выше. Математик назвал бы их поведение «линейным».

Однако более реалистичный анализ цепи лампы с несколькими различными значениями напряжения батареи даст график такой формы:

График больше не является прямой линией. Оно резко возрастает слева по мере увеличения напряжения от нуля до низкого уровня.По мере продвижения вправо мы видим, как линия сглаживается, цепь требует все большего и большего увеличения напряжения для достижения равного увеличения тока.

Если мы попытаемся применить закон Ома, чтобы найти сопротивление этой цепи лампы с приведенными выше значениями напряжения и тока, мы получим несколько разных значений. Можно сказать, что сопротивление здесь нелинейно , увеличивающееся с увеличением тока и напряжения. Нелинейность вызвана воздействием высокой температуры на металлическую проволоку нити накала лампы.

Другим примером нелинейной проводимости тока являются газы, такие как воздух. При стандартных температурах и давлениях воздух является эффективным изолятором. Однако, если напряжение между двумя проводниками, разделенными воздушным зазором, достаточно сильно увеличить, молекулы воздуха между зазором станут «ионизированными», и их электроны будут оторваны силой высокого напряжения между проводами. После ионизации воздух (и другие газы) становятся хорошими проводниками электричества, позволяя электронам течь там, где их не было до ионизации.Если бы мы изобразили зависимость тока от напряжения на графике, как мы это сделали со схемой лампы, эффект ионизации был бы отчетливо виден как нелинейный:

Показанный график является приблизительным для небольшого воздушного зазора (менее одного дюйма). Больший воздушный зазор давал бы более высокий потенциал ионизации, но форма кривой I/E была бы очень похожей: практически отсутствие тока до достижения потенциала ионизации, затем существенная проводимость после этого.

Кстати, по этой причине молнии существуют как мгновенные всплески, а не как непрерывные потоки электронов.Напряжение, возникающее между землей и облаками (или между различными группами облаков), должно возрасти до точки, в которой оно преодолеет потенциал ионизации воздушного зазора, прежде чем воздух ионизируется достаточно, чтобы поддерживать значительный поток электронов. Как только это произойдет, ток будет продолжать проходить через ионизированный воздух до тех пор, пока статический заряд между двумя точками не истощится. Как только заряд истощается настолько, что напряжение падает ниже другой пороговой точки, воздух деионизируется и возвращается в свое нормальное состояние чрезвычайно высокого сопротивления.

Многие твердые изоляционные материалы обладают схожими свойствами сопротивления: чрезвычайно высокое сопротивление потоку электронов ниже некоторого критического порогового напряжения, а затем гораздо более низкое сопротивление при напряжениях выше этого порога. После того, как твердый изоляционный материал был скомпрометирован в результате так называемого высоковольтного пробоя , он часто не возвращается в свое прежнее изолирующее состояние, в отличие от большинства газов. Он может снова изолировать при низком напряжении, но его пороговое напряжение пробоя будет снижено до некоторого более низкого уровня, что может позволить более легкому пробою в будущем.Это распространенный вид отказа в высоковольтной проводке: повреждение изоляции из-за пробоя. Такие отказы можно обнаружить с помощью специальных измерителей сопротивления, работающих на высоком напряжении (1000 вольт и более).

Существуют компоненты схемы, специально разработанные для получения нелинейных кривых сопротивления, одним из них является варистор . Обычно изготавливаемые из соединений, таких как оксид цинка или карбид кремния, эти устройства сохраняют высокое сопротивление на своих клеммах до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение «срабатывания» или «пробой» (эквивалентное «ионизационному потенциалу» воздушного зазора), после чего их сопротивление резко снижается.В отличие от пробоя изолятора, пробой варистора повторяем: то есть он рассчитан на повторные пробои без отказа. Здесь показано изображение варистора:

Существуют также специальные газонаполненные трубки, предназначенные для того же действия, использующие тот же самый принцип работы при ионизации воздуха ударом молнии.

Другие электрические компоненты демонстрируют еще более странные кривые ток/напряжение, чем эта. Некоторые устройства на самом деле испытывают снижение тока при увеличении приложенного напряжения .Поскольку наклон тока/напряжения для этого явления отрицательный (угол направлен вниз, а не вверх при движении слева направо), он известен как отрицательное сопротивление .

В частности, высоковакуумные электронные лампы, известные как тетроды , и полупроводниковые диоды, известные как Esaki или туннельные диоды , демонстрируют отрицательное сопротивление для определенных диапазонов приложенного напряжения.

Закон Ома не очень полезен для анализа поведения таких компонентов, сопротивление которых зависит от напряжения и тока.Некоторые даже предлагали понизить статус «Закона Ома» из статуса «Закона», поскольку он не является универсальным. Возможно, правильнее было бы назвать уравнение (R=E/I) определением сопротивления , подходящим для определенного класса материалов в узком диапазоне условий.

Однако для удобства учащегося мы предполагаем, что сопротивления, указанные в примерах схем , стабильны в широком диапазоне условий, если не указано иное. Я просто хотел немного показать вам сложность реального мира, чтобы не создать у вас ложного впечатления, будто все электрические явления можно описать несколькими простыми уравнениями.

  • ОБЗОР:
  • Сопротивление большинства проводящих материалов стабильно в широком диапазоне условий, но это верно не для всех материалов.
  • Любая функция, которую можно изобразить на графике в виде прямой линии, называется линейной функцией. Для цепей со стабильными сопротивлениями график превышения тока по напряжению является линейным (I=E/R).
  • В цепях, где сопротивление изменяется при изменении напряжения или тока, график зависимости тока от напряжения будет нелинейным (не прямой линией).
  • Варистор — это компонент, который изменяет сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. При небольшом напряжении на нем его сопротивление велико. Тогда при определенном «пробойном» или «поджигающем» напряжении его сопротивление резко уменьшается.
  • Отрицательное сопротивление — это когда ток через компонент фактически уменьшается по мере увеличения приложенного к нему напряжения. Некоторые электронные лампы и полупроводниковые диоды (в первую очередь, трубка-тетрод и Esaki или туннельный диод соответственно) демонстрируют отрицательное сопротивление в определенном диапазоне напряжений.

До сих пор мы анализировали схемы с одной батареей и одним резистором, не обращая внимания на соединительные провода между компонентами, пока формируется полная цепь. Имеет ли значение для наших расчетов длина провода или «форма» цепи? Давайте посмотрим на пару конфигураций цепи и выясним:

Когда мы рисуем провода, соединяющие точки в цепи, мы обычно предполагаем, что эти провода имеют незначительное сопротивление. Таким образом, они не оказывают заметного влияния на общее сопротивление цепи, поэтому единственное сопротивление, с которым нам приходится бороться, — это сопротивление компонентов.В приведенных выше схемах единственное сопротивление исходит от резисторов 5 Ом, так что это все, что мы будем учитывать в наших расчетах. В реальной жизни металлические провода на самом деле имеют сопротивление и (как и источники питания!), но эти сопротивления, как правило, настолько меньше, чем сопротивления, присутствующие в других компонентах схемы, что их можно смело игнорировать. Исключения из этого правила существуют в проводке энергосистемы, где даже очень небольшое сопротивление проводника может привести к значительным падениям напряжения при нормальных (высоких) уровнях тока.

Если сопротивление соединительного провода очень мало или отсутствует, мы можем рассматривать соединенные точки в цепи как электрически общие . То есть точки 1 и 2 в приведенных выше цепях могут быть физически соединены близко друг к другу или далеко друг от друга, и это не имеет значения для каких-либо измерений напряжения или сопротивления относительно этих точек. То же самое относится к пунктам 3 и 4. Это похоже на то, как если бы концы резистора были присоединены непосредственно к клеммам батареи, поскольку это касается наших расчетов по закону Ома и измерений напряжения.Это полезно знать, потому что это означает, что вы можете перерисовать принципиальную схему или перемонтировать цепь, укорачивая или удлиняя провода по желанию, без заметного влияния на функцию цепи. Важно только, чтобы компоненты присоединялись друг к другу в одинаковой последовательности.

Это также означает, что измерения напряжения между наборами «электрически общих» точек будут одинаковыми. То есть напряжение между точками 1 и 6 (непосредственно на аккумуляторе) будет таким же, как и напряжение между точками 3 и 4 (непосредственно на резисторе).Внимательно посмотрите на следующую схему и попытайтесь определить, какие точки являются общими:

Здесь у нас есть только 2 компонента, не считая проводов: батарея и резистор. Хотя соединительные провода проходят извилистый путь, образуя полную цепь, на пути электронов есть несколько электрически общих точек. Точки 1, 2 и 3 являются общими друг для друга, потому что они напрямую соединены друг с другом проводом. То же самое относится к точкам 4, 5 и 6.

Напряжение между точками 1 и 6 составляет 10 вольт, поступает прямо от аккумулятора.Однако, поскольку точки 5 и 4 являются общими для 6, а точки 2 и 3 — общими для 1, те же самые 10 вольт существуют и между этими другими парами точек:

 Между точками 1 и 4 = 10 вольт.
Между точками 2 и 4 = 10 вольт
Между точками 3 и 4 = 10 вольт (непосредственно на резисторе)
Между точками 1 и 5 = 10 вольт
Между точками 2 и 5 = 10 вольт
Между точками 3 и 5 = 10 вольт
Между точками 1 и 6 = 10 вольт (непосредственно на аккумуляторе)
Между точками 2 и 6 = 10 вольт
Между точками 3 и 6 = 10 вольт
 

Поскольку электрически общие точки соединены между собой проводом (с нулевым сопротивлением), между ними нет значительного падения напряжения, независимо от величины тока, протекающего от одного к другому через этот соединительный провод.Таким образом, если бы мы считывали напряжения между общими точками, мы должны были бы показать (практически) ноль:

 Между точками 1 и 2 = 0 вольт. Точки 1, 2 и 3 равны
Между точками 2 и 3 = 0 вольт электрически общий
Между точками 1 и 3 = 0 вольт

Между точками 4 и 5 = 0 вольт. Точки 4, 5 и 6
Между точками 5 и 6 = 0 вольт электрически общий
Между точками 4 и 6 = 0 вольт
 

Это имеет смысл и с математической точки зрения.При 10-вольтовой батарее и резисторе 5 Ом ток в цепи составит 2 ампера. При нулевом сопротивлении провода падение напряжения на любом непрерывном участке провода можно определить по закону Ома следующим образом:

\large{E=IR} \большой{Е=(2А)(0\Омега)} \large{E=0V }

Должно быть очевидно, что расчетное падение напряжения на любой непрерывной длине провода в цепи, где предполагается, что провод имеет нулевое сопротивление, всегда будет равно нулю, независимо от величины тока, поскольку ноль умножается на ничем равным нулю.

Поскольку в общих точках цепи измерения относительного напряжения и сопротивления будут одинаковыми, провода, соединяющие общие точки, часто маркируются одним и тем же обозначением. Это не означает, что точки подключения клеммы имеют одинаковую маркировку, просто соединительные провода. Возьмем в качестве примера эту схему:

Точки 1, 2 и 3 являются общими друг для друга, поэтому точка соединения проводов 1 и 2 помечена так же (провод 2), как и точка соединения проводов 2 и 3 (провод 2). ).В реальной цепи провод, идущий от точки 1 к точке 2, может даже не иметь того же цвета или размера, что и провод, соединяющий точку 2 и 3, но они должны иметь точно такую ​​же маркировку. То же самое касается проводов, соединяющих точки 6, 5 и 4.

Знание того, что электрически общие точки имеют нулевое падение напряжения между ними, является ценным принципом поиска и устранения неисправностей. Если я измеряю напряжение между точками в цепи, которые должны быть общими друг для друга, я должен прочитать ноль. Однако если я увижу существенное напряжение между этими двумя точками, то я с уверенностью узнаю, что они не могут быть напрямую связаны друг с другом.Если эти точки предполагают, что являются электрически общими, но они регистрируются иначе, то я знаю, что между этими точками существует «открытый отказ».

И последнее замечание: для большинства практических целей можно предположить, что проводники имеют нулевое сопротивление от конца до конца. В действительности, однако, всегда будет небольшое сопротивление по всей длине провода, если только это не сверхпроводящий провод. Зная это, мы должны иметь в виду, что все принципы, изученные здесь относительно электрических общих точек, справедливы в значительной степени, но не в абсолютной 90 576 степени.То есть правило, что электрически общие точки гарантированно имеют нулевое напряжение между собой, более точно формулируется как таковое: между электрически общими точками будет очень небольшое падение напряжения. Этот небольшой, практически неизбежный след сопротивления, присутствующий в любом отрезке соединительного провода, должен создавать небольшое напряжение по всей его длине, когда через него проходит ток. Пока вы понимаете, что эти правила основаны на 90 575 идеальных 90 576 условиях, вы не будете озадачены, когда столкнетесь с каким-то условием, которое кажется исключением из правила.

  • ОБЗОР:
  • Предполагается, что соединительные провода в цепи имеют нулевое сопротивление, если не указано иное.
  • Провода в цепи можно укоротить или удлинить, не влияя на функцию цепи — важно только, чтобы компоненты присоединялись друг к другу в одинаковой последовательности.
  • Точки, непосредственно соединенные между собой в цепи нулевым сопротивлением (проводом), считаются электрически общими .
  • Электрически общие точки с нулевым сопротивлением между ними будут иметь нулевое падение напряжения между ними, независимо от величины тока (в идеале).
  • Показания напряжения или сопротивления между наборами электрически общих точек будут одинаковыми.
  • Эти правила применяются к идеальным условиям , когда предполагается, что соединительные провода обладают абсолютно нулевым сопротивлением. В реальной жизни это, вероятно, не так, но сопротивление проводов должно быть достаточно низким, чтобы общие принципы, изложенные здесь, оставались в силе.

Мы можем проследить направление движения электронов в той же цепи, начав с отрицательной (-) клеммы и проследовав до положительной (+) клеммы батареи, единственного источника напряжения в цепи.Отсюда мы видим, что электроны движутся против часовой стрелки, от точки 6 к 5, к 4, к 3, к 2, к 1 и снова обратно к 6.

Когда ток сталкивается с сопротивлением 5 Ом, напряжение на концах резистора падает. Полярность этого падения напряжения отрицательная (-) в точке 4 по отношению к положительной (+) в точке 3. Мы можем отметить полярность падения напряжения на резисторе этими отрицательными и положительными символами в соответствии с направлением тока ( какой бы ни был конец резистора, ток на входе отрицателен по отношению к концу резистора это на выходе :

Мы могли бы сделать нашу таблицу напряжений немного более полной, отметив полярность напряжения для каждой пары точек в этой цепи:

 Между точками 1 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Между точками 2 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Между точками 3 (+) и 4 (-) = 10 вольт
Между точками 1 (+) и 5 ​​(-) = 10 вольт
Между точками 2 (+) и 5 ​​(-) = 10 вольт
Между точками 3 (+) и 5 ​​(-) = 10 вольт
Между точками 1 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Между точками 2 (+) и 6 (-) = 10 вольт
Между точками 3 (+) и 6 (-) = 10 вольт
 

Хотя может показаться немного глупым документировать полярность падения напряжения в этой цепи, важно усвоить эту концепцию.Это будет критически важно при анализе более сложных цепей с несколькими резисторами и/или батареями.

Следует понимать, что полярность не имеет ничего общего с Законом Ома: ни в какие уравнения Закона Ома никогда не будут входить отрицательные напряжения, токи или сопротивления! Существуют и другие математические принципы электричества, учитывающие полярность с помощью знаков (+ или -), но не закон Ома.

  • ОБЗОР:
  • Полярность падения напряжения на любом резистивном компоненте определяется направлением потока электронов через него: минус вход, плюс выход.

Компьютеры могут быть мощными инструментами при правильном использовании, особенно в сферах науки и техники. Существует программное обеспечение для компьютерного моделирования электрических цепей, и эти программы могут быть очень полезными, помогая разработчикам схем тестировать идеи перед тем, как создавать настоящие схемы, экономя много времени и денег.

Эти же программы могут стать отличным подспорьем для начинающих изучать электронику, позволяя быстро и легко исследовать идеи без необходимости сборки реальных схем.Конечно, ничто не заменит реальное построение и тестирование реальных схем, но компьютерное моделирование, безусловно, помогает в процессе обучения, позволяя учащимся экспериментировать с изменениями и видеть, как они влияют на схемы. На протяжении всей этой книги я буду часто использовать компьютерные распечатки схемотехнического моделирования, чтобы проиллюстрировать важные концепции. Наблюдая за результатами компьютерного моделирования, учащийся может получить интуитивное представление о поведении схемы, не опасаясь абстрактного математического анализа.

В оригинальной книге Lessons in Electric Circuits использовалась чисто текстовая версия программы под названием SPICE для моделирования цепей. Для этой версии требовался текстовый файл, который следовал некоторым синтаксическим правилам для описания схемы, а затем программа SPICE интерпретировала листинг и использовала математический анализ для определения электрического поведения схемы. Затем программа выводит другой текстовый файл с описанием результатов.

В этой обновленной версии книги я буду использовать графическую версию SPICE, которая позволяет пользователю создавать схемы в графическом редакторе схем и просматривать анализ в графической форме.Есть несколько хороших бесплатных симуляторов схем, в том числе:

  • LTSPICE (бесплатный, на основе SPICE, не с открытым исходным кодом)
  • Qucs (бесплатный, не на основе SPICE, с открытым исходным кодом)
  • QucsStudio (бесплатный, не на основе SPICE, с открытым исходным кодом, ответвление Qucs)
  • KiCad (бесплатно, на основе SPICE, с открытым исходным кодом)

В соответствии с пожеланиями автора оригинального Lessons in Electric Circuits , я собираюсь использовать KiCad для этого текста, поскольку он основан на SPICE (поэтому он будет иметь синтаксис, аналогичный исходному тексту), бесплатный И с открытым исходным кодом.KiCad на самом деле является программным обеспечением для создания схем и проектирования печатных плат, но последние версии включают симулятор схем в виде ngspice. У KiCad есть некоторые существенные ограничения, в том числе отсутствие рабочей точки постоянного тока (через директиву .op), поэтому я также собираюсь показать, как выполнять каждую симуляцию с помощью LTSpice. LTSpice не имеет открытого исходного кода, но он бесплатный.

Прежде чем приступить к анализу, нам нужна схема для анализа SPICE. Давайте попробуем одну из схем, показанных ранее в этой главе.Вот его принципиальная схема:

Эта простая схема состоит из батареи и резистора, соединенных напрямую друг с другом. Мы знаем напряжение батареи (10 вольт) и сопротивление резистора (5 Ом), но больше ничего о схеме.

KiCad Simulation

Сначала мы выполним моделирование KiCad, поэтому для начала на вашем компьютере должна быть установлена ​​последняя версия KiCad. Если она у вас еще не установлена, перейдите на страницу загрузки, найдите подходящую операционную систему и установите программу.На момент написания этой статьи я использую KiCad версии 5.1.12. Если мы введем эту схему в KiCad и воспользуемся симулятором, он сможет сказать нам (по крайней мере), какой ток у нас есть в цепи, используя закон Ома (I=E/R).

В этом видео показано, как использовать KiCad для настройки и моделирования приведенной выше схемы.

Моделирование LTspice

Теперь давайте займемся моделированием LTSpice. Это будет очень похоже на симуляцию KiCad, за исключением того, что мы сможем использовать .op Директива SPICE для получения рабочей точки. Если у вас не установлен LTspice, перейдите на страницу его загрузки и найдите подходящую операционную систему. К сожалению, LTSpice не работает напрямую в Linux, но, по-видимому, будет работать через Wine (у меня нет в этом опыта).

В этом видео показано простое моделирование с использованием LTspice. См. Приложение 2 (Список участников) для дат и контактной информации.

Дэвид Уильямс (декабрь 2021 г.): Форматирование для WordPress. Добавлены описания моделирования KiCad и LTspice.

Ларри Крамблетт (20 сентября 2004 г.): обнаружена серьезная опечатка в разделе «Нелинейная проводимость».

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.