книги / Электротехнические устройства радиосистем

В качестве преобразователей тепловой энергии в электрическую используются термоэлектрические и тер­ моэмиссионные преобразователи.

Термобатареи состоят из последовательно соединен­ ных термопар или термоэлементов. Термопара может быть изготовлена из двух спаянных (в двух точках) про­ водников, изготовленных из разных металлов.

Если температура в местах спаев одинакова, то тока в таком замкнутом контуре возникать не будет, потому что в этих спаянных местах создаются равные и про­ тивоположные э. д. с. Но если один из спаев нагреть так, чтобы температура его стала выше температуры второго спая, то равенство э. д. с. нарушится и в цепи появится электрический ток.

Положим, что один проводник изготовлен из меди, а второй проводник — из висмута. Если нагреть один из спаев, то потенциал висмутовой проволоки окажется вы­ ше потенциала медной проволоки, и поэтому электри­ ческий ток будет возникать от висмута к более холодно­ му спаю, как будто бы висмут стал положительным, а медь — отрицательным полюсом гальванического эле­ мента. Если этот спай вместо нагревания охладить, ос­ тавляя другой спай при прежней температуре, то при этом также возникнет электрический ток, но обратного направления.

Величина термо-э. д. с. и, следовательно, тока, воз­ никающего в термопаре, зависит от выбранных метал­ лов для проводников и от разности температур в местах спаев.

Опытным путем установлено, что при малых разно­ стях температур термо-э. д. с. пропорциональна разно­ сти температур мест спаев. При больших разностях тем­ ператур эта линейная зависимость нарушается. Пропор­ циональность между термо-э. д. с. и разностью темпера­ тур позволяет использовать термопару для измерения температур (в известных пределах).

Термоэлементы используются в качестве источников питания малой мощности, например, для питания радио­ приемников. В простейшем виде термоэлектрический ге­ нератор представляет собой батарею термопар, у кото­ рых одни концы спаев нагреваются, а вторые имеют до­ статочно низкую температуру.

Благодаря разности температур концов спая термо­ пар создается термо-э. д. с. и во внешней цепи проте­

кает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных проводников, двух разнородных полупро­ водников или из проводника и полупроводника.

Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность темпера­ тур спаев, а следовательно, не дает возможность полу­ чать термо-э. д. с. большой величины. Поэтому в термо­ генераторах используются полупроводниковые термопа­ ры, а иногда — термопары из проводника и полупровод­ ника.

количество электронов в полупроводнике п и количество электронных дырок в полупроводнике р увеличиваются.

Электроны и дырки вследствие диффузии в полупро­ водниках движутся от горячего спая термопары к хо­ лодному. Перемещение дырок приводит к тому, что го­ рячий конец полупроводника р заряжается отрицатель­ но, а холодный конец—положительно. В полупроводнике п электроны, переходя из горячего конца к холодному, так же как и в металле, заряжают горячий конец поло­ жительно, а холодный конец — отрицательно. Термо- э. д. с. пары полупроводников много больше термо-э. д. с. металлической пары. В промышленных термоэлектроге­ нераторах основным элементом является полупроводни­ ковая термопара с э. д. с. 1 мв на 1°С и к. п. д. около 7%.

Термоэмиссионные преобразователи (плазменные) представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами и конструктивно подобны электронным лампам. Преобразование тепловой энергии в электрическую в таких приборах осуществля­ ется за счет использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел. Электроны, эмиттированные катодом в термоэмиссионных преобразователях, движутся к ано­ ду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение ано­ да. В зависимости от температуры нагрева катода тер­ моэмиссионные преобразователи подразделяются на низкотемпературные (1 200— 1 600° С) среднетемператур­ ные (1 900—2000°С). К. п. д. термоэмиссионных пре­ образователей достигает примерно 20%.

Для использования тепловой и световой энергии сол­ нечных лучей применяют солнечные батареи.

В средних широтах на 1 м2 земной поверхности солнце излучает (в среднем) энергию зимой 80 вт и ле­ том 300 вт, а при прямом солнечном освещении до 1 000 вт.

Одним из прямых методов преобразования энергии солнечных лучей в электрическую является термоэлек­ трический, сочетающий поглощающее зеркало, или кол­ лектор с термоэлектрическим генератором. Однако этот метод не может быть использован в устройствах боль­ ших мощностей, так как термобатареи генератора имеют большое внутреннее сопротивление и ряд других недо­ статков, препятствующих их широкому распространению. Более просто непосредственное преобразование энер­ гии солнечных лучей в электрическую осуществляется фотоэлектрическим методом. Энергетические установки, реализующие этот метод, просты по устройству, имеют малый вес и габариты, и поэтому они находят широкое использование в качестве источников электрической энергии малой мощности.

Солнечные батареи или фотоэлектрические преобра­ зователи представляют собой ряд фотоэлементов, соеди­ ненных между собой определенным образом. Наиболее широко в этих целях используются фотоэлементы с запи­ рающим слоем, в которых фотоэффект возникает на

вание U являющееся первым электродом (подлож­ кой), нанесен слой селена (полупроводника) 2, покры­ того очень тонким слоем золота 4 (толщиной в тысяч­ ные доли микрона). Эта металлическая пленка является вторым электродом. Между селеном и металлической

ратуры шаров — зондов, ракет и т. д. Недостатком соднечных батарей является высокая стоимость изготовле­ ния химически чистого кремния.

Помимо кремниевых солнечных батарей, строят так­ же батареи на основе сульфидно-кадмиевых и арсенидогаллиевых элементов, которые имеют весьма высокие показатели.

В топливных элементах происходит непосредственное преобразование энергии химических реакций в электри­ ческую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива), которое подобно реакции горения топлива. Однако в отличие от горения в этих элементах окисление топлива и восста­ новление кислорода происходит иа разных электродах, так что нет выделения большого количества тепла. По­ этому энергия химических реакций выделяется в виде электрической энергии в нагрузке без промежуточного преобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий к. п. д. преобразователя. В топливных элемен­ тах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газо­ образном состояниях непрерывно поступают к электро­ дам.

К топливным элементам могут быть отнесены и био­ химические источники тока, так как в них протекают подобные окислительно-восстановительные процессы. От­ личие биохимических элементов от топливных является то, что активные вещества (или одно из них) создаются с помощью бактерий или ферментов из различных угле­ водов, углеводородов и т. д.

В настоящее время находят применение атомные элементы, конструкция которых различна в зависимости от принципа их действия.

В элементах, использующих p-излучение, на одном из электродов элемента (внутреннем) помещается ра­ диоактивный изотоп стронций-90. Вторым электродом является металлическая оболочка. Между электродами находится твердый диэлектрик (например, полистирол) или вакуум. Под действием р-лучей на электродах создаются электрические заряды. Напряжение в таких

1013 ом). Сила разрядного тока не превышает одного миллиампера (при большей силе тока возникает опас­

ность из-за радиации). Срок службы таких элементов очень велик. Положительным полюсом такого элемента является проволока из монель-металла, находящаяся в контакте с источником излучения (препарат строн- ция-90), а отрицательным полюсом — корпус, соединен­ ный со свинцовым экраном.

В элементах, использующих контактную разность потенциалов, применяется электроды в виде пластинок из различных материалов. Одна из пластин покрыта двуокисью свинца, другая изготовлена из алюминия. Между электродами находится смесь инертного газа (аргона, криптона и т. д.) и радиоактивного трития. Под действием излучения происходит образование ионных пар. Напряжение между электродами определяется кон­ тактной разностью потенциалов. Под действием этого напряжения положительно и отрицательно заряженные

В элементах с облучаемыми полупроводниками ра­ диоактивное вещество наносится на поверхность полу­ проводника (кремния). Излучаемые электроны, имею­ щие большую скорость, выбивают из атомов полупро­ водника большое количество электронов, обладающих малым запасом энергии. В результате односторонней проводимости между полупроводником и коллектором, приваренным к нему, возникает небольшая э. д. с. (не­ сколько десятых долей вольта). Внутреннее сопротивле­ ние таких элементов 100— 1000 ом й к. п. д. их может достигать нескольких процентов. Недостатком их явля­ ется малый срок службы вследствие разрушения полу­ проводника под действием радиации.

В фотоэлектрических атомных элементах использу­ ется процесс перехода энергии ядериого превращения в световую энергию, которая затем с помощью фотоэле­ ментов преобразуется в электрическую.

Г л а в а д е с я т а я

РЕЛЕ

10-1. П Р И Н Ц И П РАБОТЫ

ИКЛ А С С И Ф И КА Ц И Я РЕЛЕ

Всхемах питания, управления и защиты радиоустройстп

широко применяются реле — приборы, в которых плавное изменение входных параметров приводит к скачкообразному изменению выход­ ных параметров. Если в качестве входного параметра взята вели­ чина х, а выходного — у, то характеристика прибора, обладающего релейным эффектом, имеет вид, представленный на рис. 10-1. При изменении входного параметра х от

основана на электромеханическом действии тока. Реле состоит из стального сердечника /, катушки 2, ярма 3, якоря 4 и контактной группы 5 (рис. 10-2). Входным параметром является напряжение или ток. До появления тока в катушке якорь отжат пружиной от торца сердечника, вследствие чего замкнуты контакты б — в, назы­ ваемые нормально замкнутыми (н. з.). При появлении тока в цепи катушки в сердечнике возникает магнитный поток, замыкающийся по ярму, якорю и воздушному зазору.

•При возрастании тока увеличиваются как магнитный поток, так

действующей пружины становится меньше электромагнитной силы, якорь возвращается в исходное положение — н. р. контакты размы­ каются, а н. з. контакты замыкаются. В рассмотренном реле вход ным параметром является ток, а выходным — состояние контактов (сопротивление между контактами). Замкнутому состоянию контак­ тов соответствует весьма малое сопротивление между ними, а разо­

Таким образом, двум дискретным состояниям реле соответст­ вуют два дискретных значения входного параметра.' В теории .ре­ лейных схем для обозначения состояния реле пользуются символами О и 1. Нуль соответствует разомкнутому состоянию контактов, а единица — замкнутому. Входные параметры обозначают .такими же символами. Когда у реле входной параметр равен 0, то и. з.

Ток срабатывания реле больше тока отпускания. В рассмотрен­ ном электромагнитном реле после притяжения якоря воздушный за­ зор становится минимальным, для удержания якоря требуется малый ток и поэтому для отпускания реле ток в обмотке необходимо зна­ чительно снизить относительно тока срабатывания. Отношение ве­

ты схемы требуется реле с коэффициен­ том возврата, близким к единице. Для этого изготовляют реле специальной кон­ струкции. В электромагнитных реле для этого делают немагнитный зазор после срабатывания реле или магнитное насы­

щение стали якоря, чтобы уменьшение немагнитного зазора не влияло на магнитный поток и т. д.

Реле состоит из воспринимающего органа, предназначенного для восприятия входного параметра, и исполнительного органа, который формирует выходные параметры. Для электромагнитного реле это соответственно катушка и контакты.

Воздействие на воспринимающий орган приводит к изменению состояния исполнительного органа через определенное время, назы­ ваемое временем срабатывания или временем отпускания реле. Вре­ мя срабатывания /Ср слагается из времени трогания tTр и времени движения /дв:

^cp = ^Tp~h /дв-

Соответственно время отпускания

/от = /Гтр "Ь^ДВ*

Временем трогания называется промежуток времени, прошедший от момента включения или выключения цепи воспринимающего эле­ мента до начала перемещения подвижной части реле. Время тро­ гания зависит от постоянной времени обмотки реле. Время движе­ ния — промежуток времени от начала перемещения подвижной части до замыкания -или размыкания соответствующих контактов, завися­ щее от ряда конструктивных особенностей реле: массы якоря, его хода, тяговых и противодействующих усилий и т. д.

Для анализа релейных схем важную роль играет выяснение временных соотношений в работе реле. С этой целью прибегают к построению временных диаграмм, в которых действие реле графи­ чески изображается так, как показано на рис. 10-3.

В зависимости от физических явлений, используемых для пере­ дачи воздействия от воспринимающих органов к исполнительным,

напряжения, реле мощности, реле частоты и т. д.

По роду тока, используемого для управления, различают реле постоянного тока и реле переменного .тока.

По выполняемым функциям реле могут быть коммутационными, реле защиты и контрольные реле. Коммутационные реле обеспечива­ ют переключения управляемых цепей и логические взаимосвязи в релейных схемах. Реле защиты реагируют на аварийное состоя­ ние электрических цепей, срабатывая при выходе того или иного параметра за пределы нормы, .и вырабатывают сигнал об аварии или отключают цепь, находящуюся в аварийном состоянии. К таким реле относятся, например, реле максимального и минимального тока или напряжения, реле обратного тока .и т. д.

Сочетание коммутационного элемента с реле защиты, предназна­ ченное для сравнительно редких включений и выключений, называ­ ется автоматом.

В зависимости от времени срабатывания реле могут быть сверх­ быстродействующие (время срабатывания до 5 мсек), быстродейст­

1По управляемой мощности различают реле малой мощности, иногда называемые слаботочными, для коммутации до 50 вт посто­ янного тока или «120 ва переменного тока, реле средней мощности — до 150 вт постоянного тока или 500 ва переменного тока, реле по­ вышенной мощности — более 150 вт постоянного тока и 500 ва переменного тока, контакторы более 500 вт. Особенность контакто­ ров состоит в том, что при включениях и выключениях они способ­