Задачей кружков 2-го года занятий является дальнейшее расширение знаний и навыков, полученных школьниками в кружках для начинающих. Даются более углубленные знания об основных элементах автоматики, о принцинах^составления электрических, монтажных и блок-схем автоматических устройств, прививаются навыки самостоятельного конструирования несложных автоматических устройств.
Фронтальная форма проведения занятий с кружком постепенно вытесняется индивидуальной. В течение учебного года практическая деятельность в кружке должна строиться таким образом, чтобы способствовать постепенно развитию у кружковцев самостоятельности и активности в процессе работы над конструкциями. На первом этапе общие методы проведения занятий в кружке 2-го года мало отличаются от кружка для начинающих. Разница состоит в том, что руководитель предлагает своим воспитанникам одновременно несколько схем на выбор примерно одной тематики. Таким образом, каждый член кружка выбирает себе объект работы по желанию.
Задача, стоящая перед ребятами, постепенно усложняется. Давая задание, педагог все чаще ограничивается только принципиальной схемой или даже блок-схемой, предоставляя самостоятельность ребятам в вопросах конструирования.
Каждая тема имеет ряд схем для практических работ, которые могут быть выбраны по усмотрению руководителя кружка. Руководитель может также заменить предлагаемые работы на другие, примерно одинаковой степени сложности. Поскольку большинство практических работ, рекомендуемых пособием, имеют чисто схемное решение, задача руководителя кружка — найти практическое применение работам кружковцев. С помощью таких конструкций можно автоматизировать учебную лабораторию внешкольного учреждения или физический кабинет школы, организовать автоматическую экспозицию на выставке технического творчества. Приборы, созданные в кружке автоматики, окажут большую помощь и на производстве, и в сельском хозяйстве для автоматизации отдельных производственных процессов. С этой целью коллективу кружка следует наладить тесные связи с научными учреждениями или предприятиями.
В данном разделе, кроме общего построения теоретических занятий, приведены отдельные справочные сведения по элементам автоматических устройств, которые могут потребоваться руководителю кружка.
1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ — ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИКИ
Беседы руководителя по данной теме носят чисто познавательный, обзорный характер. Рассматриваются основные типы электромеханических реле, имеющих применение в автоматике и телемеханике:
а) электромагнитные реле постоянного и переменного тока;
б) магнитоэлектрические реле;
в) электродинамические реле;
г) индукционные реле;
Д) электротермические реле.
Педагог должен объяснить кружковцам, что, несмотря на многообразие различных типов электромеханических реле, все они в автоматических и телемеханических устройствах играют роль электронных мышц, включая, выключая или переключая электрические цепи. Членам кружка уже с первых занятий начнут встречаться новые понятия и термины, поэтому руководителю необходимо пояснить значение этих терминов на языке техники.
В основе действия реле лежат те же физические принципы, что и в основе действий электроизмерительны х приборов. Однако якорь реле совершает небольшое, но обычно скачкообразное перемещение при определенных значениях тока или напряжения.
Для более полного представления кружковцев о существе материала желательно подготовить демонстрацию самых разнообразных типов электромеханических реле. Подробно принцип действия и их конструкции разбирать не следует.
С принципом работы электромагнитного реле кружковцы знакомы с прошлого учебного гОда. Учитывая это, педагог старается расширить приобретенные ребятами знания, познакомив их с разновидностями этих наиболее распространенных элементов автоматики и телемеханики.
Электромагнитные реле, применяемые для переключений сравнительно мощных цепей тока, часто называют контакторами.
Электромагнитные реле постоянного тока разделяются на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке. Сердечник поляризованного реле содержит постоянный магнит, который поляризует реле, т. е. делает его чувствительным к направлению тока.
Электромагнитное реле переменного тока работает несколько иначе, чем реле постоянного тока. Во избежание вибраций реле переменного тока строится таким образом, чтобы на якорь действовали два магнитных потока, сдвинутых один относительно другого по фазе, вследствие чего тяговое усилие никогда не падает до нуля.
Магнитоэлектрическое реле по своей конструкции обычно напоминает магнитоэлектрический измерительный прибор. При пропускании тока через рамку последняя поворачивается в поле постоянного магнита. На рычаге, скрепленном с рамкой, находится подвижный контакт, который в зависимости от направления тока в рамке замыкается с неподвижным контактом. При прекращении тока рамка под действием пружины возвращает подвижный контакт в среднее положение. Магнитоэлектрическое реле является наиболее чувствительным по сравнению со всеми другими типами электромеханических реле.
Магнитоэлектрическое реле создает на своих контактах весьма малое давление и поэтому может управлять лишь малой мощностью, не превосходящей нее» кольких ватт.
В электродинамическом реле подвижный контакт скреплен с рамкой, которая при пропускании через нее тока поворачивается в поле, создаваемом обмотками возбуждения. Последние надеты на магнитопровод.
Электродинамическое реле обладает преимуществами только на переменном токе. Оно может реагировать на величину мощности или сдвига фаз. Например, если ток в рамке сдвинут на 90° по отношению к току возбуждения, то подвижная система реле под действием пружины будет находиться в среднем положении. Отклонение угла сдвига фаз от 90° в ту или иную сторону вызывает замыкание контакта. Управляемая мощность достигает 50 вт и выше.
Индукционные реле основаны на взаимодействии между переменным магнитным потоком и током, который индуктируется в диске, цилиндре или короткозамк- нутой рамке другим переменным потоком. Индукционные реле работают только на переменном токе и так же, как и электромагнитные реле, не требуют подвода тока к подвижной части. Наиболее часто применяются индукционные реле с диском. В зазоре двух электромагнитов может поворачиваться вокруг своей оси алюминиевый или медный диск. В обмотках электромагнитов протекают переменные токи, создающие в них переменные магнитные потоки, которые, в свою очередь, индуктируют в диске токи.
Вращающий момент в индукционном реле преодолевает упругость пружины и поворачивает диск, пока не замкнется контакт. Вращающий момент равен нулю, когда токи совпадают по фазе, и максимален, когда они сдвинуты на 90°. Момент направлен в сторону электромагнита с отстающим по фазе потоком. Следовательно, если фазовый сдвиг между токами меняет знак, то меняется и направление момента.
Индукционные реле как более простые, чем электродинамические реле, нашли широкое применение, в особенности в устройствах автоматической защиты, в качестве реле активной и реактивной мощности, фазы и направления энергии, тока, напряжения и частоты. Чувствительность индукционных реле сравнительно невелика.
Электротермические реле основаны на расширении твердого тела, жидкости или газа при нагревании их электрическим током. Механическое перемещение, вызванное этим нагреванием, приводит к замыканию или размыканию исполнительного контакта,
Одним из наиболее распространенных тепловых реле является биметаллическое реле. Такое реле содержит биметаллическую пластинку, состоящую из двух слоев металлов, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения (например, стали и инвара). На пластинку намотана обмотка, нагреваемая протекающим по ней током. Вследствие различного удлинения слоев металлов пластинка при нагревании изгибается и замыкает контакты.
Мощность срабатывания биметаллических реле составляет обычно не менее нескольких ватт, а время срабатывания — от десятых долей секунды до нескольких секунд. В то же время биметаллическое реле благодаря его тепловой инерции часто применяется как простейшее реле времени со временем срабатывания до 10 мин.
На практических занятиях из имеющихся типов реле ребята могут изготовить учебный стенд «Электромеханические реле», который в дальнейшем будет служить в качестве учебно-наглядного пособия при изучении последующих тем. Монтировать его лучше всего на фанерном щитке или листе толстого картона, оклеенном плотной бумагой. В этих случаях все образцы можно прикрепить непосредственно к щитку — пришить прочной суровой или капроновой ниткой, или тонкой мягкой проволокой, или, наконец, приклеить клеем БФ, столярным или нитроклеем.
Электрификация учебно-наглядных пособий повышает их дидактическую ценность, делает их содержание более выразительным, наглядным, занимательным. Использование в электрифицированных пособиях световых или реже звуковых сигналов дает возможность в процессе изучения учебного материала осуществлять двусторонние связи, получать информацию, необходимую для контроля (или самоконтроля) процесса усвоения знаний.
Электрификация настенных стендов проводится по разным схемам в зависимости от дидактических задач и материальных возможностей. В простейших схемах используют одну лампочку и батарейку от карманного электрического фонарика. Около каждого образца укрепляют контакт. Такие же контакты монтируют около названий образцов, объединенных в таблицу. Соответствующие пары контактов соединены между собой на обратной стороне щита. На лицевую сторону щита выведены два шнура со щупами на концах. При прикосновении этими щупами к соответствующим контактам цепь «образец — электрическая лампочка — батарейка — контакт таблицы — образец» замыкается и лампочка загорается.
Руководитель может также предложить вниманию кружковцев ряд схем автоматических переключателей на реле различных типов. Схему ребята могут выбрать по своему желанию. Однако наличие на занятиях действующих образцов, рекомендуемых к изготовлению устройств, обязательно.
На рис. 44 приведена схема переключателя на электротермическом реле. При подключении термообмоткп TP к положительному полюсу источника питания нагревается биметаллическая пластина, которая, прогибаясь вверх, замыкает контакты 1—2 и включает питание на обмотку реле Р. Это реле срабатывает, размы кает своими контактами Р1/1 цепь электротермического реле и одновременно замыкает контактами Р1/2 цепь внешней нагрузки. Остывая, электротермическое реле возвращается в исходное состояние, и процесс повторяется. Время срабатывания термореле можно регулировать в небольших пределах, изменяя величину тока через его обмотку.
В схеме переключателя на поляризованном рело время горения ламп можно изменять в широких пределах. Схема питается от сети переменного тока па- пряжением 127 и 220 в (рис. 45).
Один из проводов питания подключается к якорю поляризованного реле РП-4, в зависимости от положения которого напряжение питания поступает на 1-й или 2-й контакт реле Р1. Переменный ток выпрямляется с помощью силовых диодов Д2 и ДЗ, включенных навстречу друг другу. Поэтому в схему подается то положительное, то отрицательное напряжение. Конденсатор С1 заряжается через резистор R3 до потенциала
зажигания неоновой лампы МН-3. Поляризованное реле Р1 срабатывает, язычок якоря перебрасывается (ток меняет направление) — конденсатор сначала полностью разряжается, а затем снова заряжается до потенциала зажигания неоновой лампы. Ток, который в этом случае потечет через неоновую лампу, будет иметь направление, противоположное предыдущему, и якорь реле снова перейдет в другое положение и т. д. Время переключений регулируют с помощью переменного резистора R3.
В это устройство можно поставить поляризованные реле и других типов (РП-5, РП-7, РПБ-7), отрегулировав контакты так, чтобы якорь всегда находился либо в 1-м, либо во 2-м положении.