Такое устройство как реостат, находит практическое применение во многих отраслях науки и техники. Благодаря его возможности по увеличению и уменьшению тока.
Реостат и принцип работы
Реостат – это аппарат, способный изменять силу тока и напряжения в цепи, используя сопротивление реостата. Опытный реостат выглядит так:
Переменное сопротивление лежит в корне работы реостата. Если оно в цепи увеличивается, то ток снижается, это приводит к потере мощности электроприбора или двигателя. При снижении сопротивления ток повышается и мощность соответственно тоже. Для чего нужен реостат?
В автомобилях или на производстве например, реостат регулирует скорость вращения двигателя.
По материалу изготовления бывают: угольные, металлические, жидкостные, керамические. По типу охлаждения: воздушные, жидкостные (водяные и масляные)
условное обозначение реостата на схемах:
Как прибор включается в сеть
Реостат подключается параллельно, при создании ответвления электрического тока в обход определенного элемента.
При воздействии на общий ток, реостат подключается последовательно.
Схема
Схема включения реостата
- Л — зажим, соединенный с сетью
- Я — зажим, соединенный с якорем
- М — зажим, соединенный о цепью возбуждения
- О — холостой контакт
- 1 — дуга
- 2 — рычаг
- 3 — рабочий контакт
Схема включения пускорегулирующего реостата
- R пк — резистор, шунтирующий катушку контактора в отключенном положении реостата
- R огр — резистор, ограничивающий ток в катушке
- Ш1, Ш2 — параллельная обмотка возбуждения электродвигателя постоянного тока
- С1, С2 — последовательная обмотка возбуждения электродвигателя постоянного тока
Схема включения регулировочного реостата возбуждения
- R пр — сопротивление предвключенное
- ОВ — обмотка возбуждения электродвигателя постоянного тока
Схема включения маслонаполненного регулировочного реостата
Физические сведения
Реостат работает по Закону Ома. Как оказывает физика: сила тока — I, напряжение — U и сопротивление — R, взаимосвязаны:
Если напряжение (U) на участке цепи или ЭДС (ε), сопротивление источника тока (r) в полной цепи постоянно, то сила тока (I) регулируется при перемене сопротивление (R). И наоборот: при повышении сопротивления сила тока уменьшается, при снижении сопротивления — повышается. Сопротивление имеет зависимость от типа материала проводника и его геометрических параметров.
Физическая зависимость
В основе реостата лежит проводник с изменяющимися длиной или сечением. Для перемены сопротивления в реостате повышают и снижают геометрические размеры проводника, и изменившееся сопротивление в свою очередь влияет на силу тока в цепи. Реостат может заключать в себе набор резисторов с постоянным сопротивлением, тогда регулировка будет ступенчатой, или иметь возможность постепенно регулировать сопротивление, также переключение может происходить с разрывом или без разрыва цепи.
Геометрия материала
Геометрия проводника это его длина (L) и площадь поперечного сечения (S). S рассчитывается с помощью абстрактного алгоритма, который будет работать для всех форм проводников и полупроводников. Он имеет следующую форму:
- определяется форма поперечного сечения (круг, прямоугольник или квадрат)
- вычисляется площадь поперечного сечения фигуры
- произвести необходимые замеры и подставить их в формулу
- произвести расчеты
Если провод заключает в себе некоторое количество проводников, необходимо вычислить S поперечного сечения одного проводника, потом умножить на количество проводников. Получается зависимость между сопротивления и типом вещества, длиной и площадью поперечного сечения проводника:
Физический смысл гласит: ток идя по проводнику, тип которого определяется p, а его частицы проходят через длину L с площадью поперечного сечения S.
Влияние параметров электричества
Закон Ома для полной цепи выражает зависимость величины тока (I) от электродвижущей силы (e) и величины R, которая состоит из суммы внутреннего сопротивления (Rinut) и внешнего сопротивления (Rвнеш).
Rinut – это внутреннее сопротивление источника питания (генератора, батареи, трансформатора и т.д.). Закон Ома для полной цепи I = e / (Rвнеш + Rвнут). Рвнеш = (e / i) – Ринут.
Для сечения цепи зависимость для нахождения сопротивления упрощается, поскольку ЭДС и Rinut не учитываются. Этот закон показывает прямо пропорциональную зависимость между током (I) и напряжением (U), и обратно пропорциональную – от величины сопротивления R: I = U / R. В некоторых случаях этих факторов может быть недостаточно для точных расчетов, так как существует еще одна зависимость – температурные характеристики материала.
Влияние температуры на проводимость
Удельное сопротивление влияет на проводимость материала, но является функцией температуры.
Это доказывает следующий эксперимент. Электрическая цепь: лампочка, источник питания (12 В), кусок нихромовой проволоки и амперметр. Источник питания любой.
Напряжение должно быть ниже номинальной разности потенциалов лампы. Подключить последовательно.
Амперметр контролирует величину тока, меняющегося со временем. Лампа — световой индикатор, отражающий увеличение сопротивления. Яркость со временем ослабевает. При повышении сопротивления- ток снижается.
Зависимость удельного сопротивления p зависит от следующих переменных:
- Табличное значение удельного сопротивления (p0), рассчитанное при температуре +20 градусов Цельсия
- Температурный коэффициент “a”, который принимается больше 0 (a > 0) для металлов и меньше 0 (a < 0) для электролитов
- Табличное значение p0 можно найти в специальных учебниках по электротехнике
Температурная зависимость p описывается следующей зависимостью:
p = p0 * [1 + a * (t – 20)].
При необходимости p можно подставить в формулу длины и сечения для R:
R = p0 * [1 + a * (t – 20)] * L / S.
Сопротивление измеряется омметром или мультиметром.
Основное назначение прибора
Реостат регулирует в цепи силу тока.
В технике чаще применяются другие электронные регуляторы, полупроводниковые элементы и потенциометры. Так как реостат при работе нагревается, это расходует значительную энергию. При перегреве перестает работать.
Реостат применяется в областях, с потреблением высокого напряжения или тока. В свето регуляторах реостаты изменяют силу света. Реостаты применяются для повышения или снижения скорости вращения электродвигателя.
Он применяется в переключателях, устанавливающий температуру на электроплитах. На кухонных приборах, которые имеют нагревательные элементы, температура которых должна быть увеличена или уменьшена.
Регулирует громкость в таких устройствах, как телевизор, радио.
- Пускорегулирующие реостаты применяют в системе управления электродвигателями постоянного тока. При переменном токе РС включают в схему питания асинхронных двигателей с фазовым ротором.
- Пусковые реостаты понижают силу пускового тока во время старта электромотора. Применяются в системах рекуперативного реостатного торможения. Благодаря этому постепенно снижается скорость вращения роторов электромоторов и генераторов.
- Балластные РС быстро поглощают энергию, которая выделяется при резком торможении электродвигателя. То есть происходит сброс балласта в виде излишней электроэнергии.
Виды реостатов
- Тороидальный
- Рычажный
- Штепсельный
Тороидальный
Принцип реостата: обмотка РС устроена в виде тороидальной конструкции, ее верхняя поверхность образует контактную дорожку. Поворотный контактор совершает вращательные движения вокруг своей оси, касаясь обмотки. Благодаря тороидальной катушке происходит неразрывность электрической цепи во время поворота ползуна.
Применяется в городском электротранспорте. Беспрерывная перемена силы тока и напряжения питания электродвигателя обеспечивает постепенное перемещение транспортного средства. При поломке отремонтировать невозможно. Только заменять на новый.
Рычажный
В отличие от тороидального, рычажный( или ползунковый реостат) изменяет сопротивление тока рывками. Ползунок реостата, работает как контактор, перемещается с одного контакта на другой. В устройстве существуют резисторные линии с определённым уровнем сопротивления. Рычажный бегунок одновременно работает выключателем одной линии и включателем другого резистора.
Штепсельный
Принцип действия реостата штепсельного-это регулирование сопротивления электрической цепи ступенчато. Отличие в том, что переход от одного режима к другим параметрам тока происходит без разрыва цепи. При извлечении очередного штепселя происходит перенаправление энергетического потока через определённый резистор.
Нагрузочные устройства
Вырабатывают дополнительную нагрузку в электроцепи. Это нужно для поддержания необходимых процессов, связанных с режимом работы различных приборов, двигателей и других устройств.
Датчики на основе реостата
Реостат применяется в датчике угла поворота. Здесь конкретная электрическая величина соответствует определенному положению ротора.
Сегодня такие датчики не применяются, им на смену пришли оптические и магнитные аналогами. Так как зависимость сопротивления и угла по отношению к температурному действию неустойчива. Так же сейчас происходит переход на цифровые системы. Резистивные измерители используются в схемах с аналоговыми сигналами.
Реостаты электрического типа используются в автомобилестроении, технике, промышленности. В радиотехнике, при запуске электродвигателей.
Элементы реостатного датчика
- каркас
- намотка из проволоки
- передвижная щетка, скользящая по поверхности сопротивления
Реостат печки отопления салона
Реостат печки – регулирует скорость вращения вентилятора в автомобильной печке. Меняет силу нагрева и уровень температуры в автомобиле.
Реостат подключен к питающей сети печки и вентилятору.
В устройство реостата заключен нагревательный резистор – нить из сплава, с большим сопротивлением.
При работе вентилятора, ток идет через нагревательный резистор. За счет сопротивления нити возникает дросселирование тока, изменяется скорость вращения вентилятора и мощность подачи воздуха.
Реостат обеспечивает разные режимы нагрева.
Реостат печки обеспечивает работу вентилятора независимо.
Преимущества датчиков с секционированным сопротивлением
Позволяют осуществлять работу с большими токами. Работа контактов осуществляется в благоприятном режиме.
Характеристика линейного реостатного датчика:
Подключение через схему потенциометра порождает потенциометрический датчик.
Уровень напряжения зависит от положения движка.
Положение движка слева дает минимальное напряжение Ux, справа – максимальное.
Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.
Потенциометрические датчики — это переменные резисторы, из различных материалов — обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.
Например датчик педали газа, датчик уровня заполнения топливного бака.
Как устроен реостат
Проволочный
Является, реостатом простого строения. Заключает в себе проволоку с высоким удельным сопротивлением, натянутой на раму. Она пересекала несколько разъёмов. Включая разные контакты, изменялась длина проводника. Таким образом, достигалась нужная величина сопротивления, и менялись параметры силы тока и напряжения в электрической цепи. Устройство имеет недостаток — ограниченность длины проводника и диапазона изменений характеристик тока.
Ползунковый
Ползунковый прибор РС это удлинённая катушка, в форме цилиндра из диэлектрического материала с намотанным на него проводом, покрытого окалиной. По штанге постепенно движется ползунок, он касается контактами спирали катушки. Аппарат подсоединяют к электрической цепи в двух точках: это контакт ползунка и один из концов катушки.
Жидкостный
По строению это ёмкость, наполненная электролитом, с погруженными двумя электродами в форме металлических пластин. Сопротивление тока, проходящего через электролит, имеет прямую зависимость от промежутка между электродами и обратную зависимость от площади поверхности электродов.
Ламповый
Сопротивление в цепи уменьшается или увеличивается благодаря количеству подключенных параллельно ламп накаливания. Такое устройство работает не очень эффективно. Параметры тока регулируются за счёт большой траты электроэнергии, потребляемой лампами накаливания.
Охлаждение
Охлаждение может быть жидкостным и воздушным.
Воздушная система охлаждения
Реостаты из метала, имеющие воздушное охлаждение, используются чаще всего. Приспосабливаются легко к разным условиям работы как в отношении электрических и тепловых характеристик, так и в отношении различных конструктивных параметров. Реостаты конструируются с непрерывным или со ступенчатым изменением сопротивления.
Переключатель ступеней в реостатах является плоским. В плоском переключателе подвижный контакт проходит по неподвижным контактам, перемещаясь при этом в одной плоскости. Неподвижные контакты выполняются в виде болтов с плоскими цилиндрическими или полусферическими головками, пластин или шин, располагаемых по дуге окружности в один или два ряда. Подвижный скользящий контакт (щетка), бывает мостикового или рычажного типа, самоустанавливающимся или несамоустанавливающимся.
Несамоустанавливающийся подвижный контакт имеет более простую конструкцию, но дает сбои в работе, так как часто нарушается контакт. При самоустанавливающемся подвижном контакте всегда исправно контактное нажатие и высокая надежность в эксплуатации. Эти контакты используются чаще всего.
Положительными сторонами плоского переключателя ступеней реостата являются простота конструкции, малые габариты при большом числе ступеней, низкая стоимость, возможность установки на плите переключателя контакторов и реле для отключения и защиты управляемых цепей. Минусы — низкая мощность переключения и небольшая разрывная мощность, высокий износ щетки в связи с трением скольжения и оплавления, трудно применять для сложных схем соединения.
Жидкостное охлаждение
Жидкостное охлаждение подходит только для металлических реостатов, их сопротивления омываются жидкостью, либо полностью в нее погружены. Нельзя забывать, что охлаждающая жидкость также должна охлаждаться.
Масляное охлаждение
Металлические реостаты с масляным охлаждением повышают теплоемкость и время нагрева из-за высокой проводимости тепла маслом. При этом увеличивается нагрузка при кратковременном режиме и сокращается расход материала резисторов и размеры самого реостата.
Элементы, находящиеся в масле, обладают широкой поверхностью для обеспечения хорошей теплоотдачи. Если резистор закрытого типа, то он не погружается в масло. Погружение обеспечивает защиту контактам и резисторам от вредного воздействия окружающей среды. В масле отключающие способности контактов повышаются. Это плюсы реостатов данного типа. Из-за смазки возможны высокие давления на контакты. Но есть и минусы. Это увеличение риска пожароопасности и загрязнения помещения.
Реостат включается в схему в качестве переменного резистора или же потенциометра. Это обеспечивает постепенную регулировку сопротивления и, как следствие, регулирование силы тока и напряжения в цепи. Их часто применяют в лабораториях, при создании новых и проверке действующих электроприборов.
