Электрические компоненты мехатронных систем

1.

Электрические компоненты
мехатронных систем
Ключевые электрические величины и их роль в комплексных мехатронных системах

2.

Цели и задачи урока
Изучить основные электрические компоненты мехатроники,
понять характеристики тока, напряжения и сопротивления.
Освоить типы соединений, применение законов Ома и
Кирхгофа, а также познакомиться с измерительными
приборами и источниками питания.
2

3.

Ток в мехатронных системах
Ток представляет собой направленное движение заряженных
частиц в проводнике, измеряется в амперах. Он является
фундаментальным параметром для управления
электрическими элементами в мехатронных устройствах.
Направление тока определяется как движение положительных
зарядов, что является условностью. Контроль и регулирование
тока обеспечивают корректную работу мехатронных
компонентов.
3

4.

Напряжение и его роль
Напряжение — это разность электрических потенциалов
между двумя точками цепи, измеряемая в вольтах. Оно
обеспечивает принудительное движение тока через
проводник, создавая рабочие условия в цепи.
Источниками напряжения служат батареи, аккумуляторы и
блоки питания. Каждый из них обеспечивает стабильное
или импульсное напряжение для питания мехатронных
узлов.
4

5.

Сопротивление и факторы
его влияния
Определение и параметры сопротивления
Сопротивление измеряется в омах и характеризует препятствие
току в проводнике. Его величина зависит от материала, длины,
площади поперечного сечения и температуры проводника.
Классификация материалов по сопротивлению
Материалы делятся на проводники с низким сопротивлением,
полупроводники с переменным сопротивлением и изоляторы с
высоким сопротивлением. Выбор материала критичен для
эффективности цепи.
5

6.

Последовательное
соединение элементов
В последовательной цепи ток одинаков во всех элементах, что
обеспечивает равномерное протекание тока через каждый
компонент независимо от их сопротивления.
Общее сопротивление равно сумме всех сопротивлений, а
напряжение делится пропорционально сопротивлению
элементов. Пример — светодиоды в фонарике, соединённые
последовательно.
6

7.

Параллельное соединение элементов
В параллельном соединении на каждом элементе
одинаковое напряжение, что позволяет каждому
устройству работать независимо от других.
7
Общий ток распределяется между ветвями в
зависимости от сопротивления каждой. Общее
сопротивление снижается и всегда меньше
минимального сопротивления одной ветви.

8.

Смешанное соединение в практических цепях
Комбинация соединений
Расчёт параметров и применение
Смешанные цепи объединяют последовательные и
параллельные участки, что повышает их сложность и
функциональность в мехатронных системах.
Для анализа таких цепей применяются законы
Кирхгофа, позволяющие точно определить
напряжение и ток. Типичный пример — управляющие
цепи роботов.
8

9.

Закон Ома: базовые
принципы
Закон Ома описывает связь между напряжением, током и
сопротивлением формулой U = I × R. Он служит основой для
проектирования и анализа электрических цепей.
Применение закона позволяет вычислять величины тока,
напряжения или сопротивления в цепи, что важно для
настройки и диагностики мехатронных систем.
9

10.

Первый закон Кирхгофа (закон
токов)
Первый закон Кирхгофа утверждает, что сумма токов,
входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из него.
Это правило обеспечивает сохранение заряда в узле.
Данный закон используется для анализа узлов цепей,
например, для вычисления распределения токов в
распределительном щите или сложной электрической
системе.
10

11.

Второй закон Кирхгофа (закон
напряжений)
Второй закон Кирхгофа утверждает, что сумма всех напряжений
в замкнутом электрическом контуре равна нулю. Это основа
для расчёта распределения напряжения в цепях сложной
структуры.
Закон позволяет учитывать влияние нескольких источников
питания и элементов с различными параметрами, что
предоставляет возможность точного анализа электрических
схем на практике.
11

12.

Мультиметр: функции и
применение
Основные функции мультиметра
Мультиметр измеряет напряжение, ток и сопротивление,
проверяет исправность диодов и обеспечивает прозвонку
цепей. Используется для диагностики и настройки электронных
устройств.
Правила использования и безопасность
При работе с мультиметром важно соблюдать меры
безопасности: отключать питание перед измерениями
сопротивления и работать с исправным прибором во избежание
повреждений.
12

13.

Осциллограф и анализ сигналов
1. Осциллограф отображает временную форму
электрического сигнала, измеряет амплитуду и
период, что позволяет изучать динамические
процессы в системах автоматики.
13
2. В области мехатроники он незаменим для
анализа сложных импульсных сигналов,
например, в системах управления двигателями и
датчиками, улучшая качество диагностики.

14.

Типы аккумуляторов в мехатронике
Основные виды аккумуляторов
Характеристики и эксплуатация
В мехатронных системах применяются свинцовокислотные, никель-кадмиевые, никельметаллгидридные и литий-ионные аккумуляторы с
различными параметрами напряжения и ёмкости.
Правильное использование и своевременная зарядка
этих аккумуляторов продлевают срок их службы и
обеспечивают стабильную работу систем в различных
условиях.
14

15.

Блоки питания: типы и
характеристики
Среди блоков питания распространены линейные и
импульсные типы, каждый из которых имеет свои особенности
по выходному напряжению, максимальному току и общей
мощности.
Выбор блока питания зависит от требований нагрузки и
необходимой надежности, при этом учитываются также
показатели эффективности и теплового режима работы
прибора.
15

16.

Вопросы для закрепления материала
1. Почему в мехатронике применяются
различные типы электрических
соединений и какую роль они играют в
функционировании систем?
2. Как использование законов Ома и
Кирхгофа помогает проводить анализ
и расчёты электрических цепей в
практических задачах?
3. Как мультиметр и осциллограф
способствуют диагностике и
обеспечивают безопасность при
работе с электрическими
компонентами?
16

17.

Зависимость сопротивления от температуры
Сопротивление металлов увеличивается с
повышением температуры, тогда как у
полупроводников наблюдается обратная
тенденция. Эти особенности важны при
проектировании.
Рост сопротивления металлов требует учета
температурного фактора для точных расчетов и
обеспечения стабильной работы электроцепей
в мехатронных системах.
Стандарты IEC, 2023
17

18.

Сравнение типов
аккумуляторов
Таблица содержит основные
характеристики четырёх
распространённых типов аккумуляторов,
используемых в мехатронике для выбора
оптимального варианта.
Выбор аккумулятора определяется
требованиями к ёмкости, напряжению и
сроку службы с учётом специфики
применения в мехатронных системах.
18
Производители аккумуляторов, 2023

19.

Распределение напряжения в последовательной цепи
Напряжение на элементах последовательно
соединённой цепи напрямую пропорционально
их сопротивлению, что важно для
проектирования цепей с заданным
распределением напряжений.
Знание этого закона позволяет правильно
выбирать компоненты и рассчитывать
параметры электрических цепей мехатронных
устройств.
Учебные материалы по электронике, 2023
19

20.

Распределение тока в параллельной цепи
Общий ток разделяется на ветви в зависимости
от сопротивления: более низкое сопротивление
пропускает больший ток, что важно для
обеспечения надежной работы цепи.
Правильное распределение тока помогает
балансировать нагрузку и защищать
компоненты от перегрузок в сложных
электрических системах.
Специализированные справочники по электроприводам, 2023
20

21.

Сравнение параметров линейных и импульсных
блоков питания
Таблица демонстрирует ключевые характеристики
двух основных типов блоков питания, а также их
преимущества и недостатки для выбора в
зависимости от конкретных задач.
Импульсные блоки питания предпочтительнее при
необходимости высокой эффективности и
компактности, тогда как линейные подходят для
чувствительных к шуму нагрузок.
Технические руководства производителей БП, 2023
21

22.

Классификация материалов по электрическим
свойствам
Проводники характеризуются низким
электрическим сопротивлением, что
обеспечивает эффективную передачу тока в
мехатронных системах и снижает потери
энергии.
Полупроводники имеют сопротивление, которое
существенно изменяется под влиянием
температуры и внешних воздействий, что
используется в датчиках и регулирующих
элементах.
Изоляторы обладают очень высоким
сопротивлением и предотвращают
нежелательные токи, обеспечивая
безопасность и изоляцию в электрических
цепях.
22

23.

Особенности работы смешанных соединений
Смешанные цепи комбинируют
последовательные и параллельные
элементы, что усложняет расчёт
электрических параметров.
Использование смешанных соединений
характерно для мехатронных систем с
множеством исполнительных механизмов и
датчиков.
23
Для анализа таких цепей применяются
законы Кирхгофа, позволяющие точно
определить токи и напряжения в каждой
ветви.
Правильный расчёт смешанных цепей
обеспечивает стабильную работу и
предотвращает перегрузки, что критично
для робототехнических приложений.

24.

Зависимость тока от напряжения при постоянном
сопротивлении
График иллюстрирует прямую
пропорциональность между напряжением и
током при неизменном сопротивлении цепи.
Линейный характер зависимости подтверждает
применимость закона Ома при постоянных
электрических параметрах.
Экспериментальные данные, учебные материалы по электронике, 2023
24

25.

Примеры решения задач
по закону Ома
Таблица содержит задачи с исходными
данными и полученными результатами
для расчёта тока, напряжения и
сопротивления в мехатронных системах.
Чёткое применение закона Ома
позволяет быстро рассчитывать нужные
параметры для правильной настройки и
диагностики цепей.
25
Практические задачи из курса мехатроники, 2023

26.

Особенности использования мультиметра
При измерении сопротивления перед включением
прибора необходимо отключить питание цепи для
предотвращения повреждения мультиметра и
получения корректных результатов.
Выбор правильного режима измерения
(напряжение, ток, сопротивление) обязателен для
точности и безопасности работы с электрическими
элементами.
Необходимо соблюдать максимальные пределы
измеряемых параметров мультиметром и избегать
ошибок, таких как неправильное подключение
щупов.
26

27.

Анализ сигналов осциллографом в мехатронике
27
Форма импульсов отображается на экране
осциллографа, что позволяет выявить искажения
или дефекты в сигнале.
Частота повторения сигналов помогает
определить стабильность работы электронных и
механических компонентов системы.
Измерение амплитуды важно для контроля уровня
сигнала и предотвращения перегрузки входных
цепей.
Анализ сигналов способствует выявлению помех,
неисправностей датчиков и контроллеров,
обеспечивая надёжность мехатронных систем.

28.

Эксплуатация и зарядка аккумуляторов
Для каждого типа аккумуляторов
предусмотрены оптимальные режимы
зарядки с учетом напряжения и тока,
что способствует продлению их
ресурса и безопасности.
Температурные ограничения важны
при эксплуатации и зарядке, так как
перегрев или переохлаждение может
повредить аккумулятор или сократить
срок службы.
Регулярный уход и правильное
хранение поддерживают
производительность и предотвращают
внезапные отказы в работе
мехатронных устройств.
28

29.

Выбор источника питания для конкретных задач
При выборе источника питания
учитываются параметры стабильности
выходного напряжения для защиты
чувствительных компонентов.
Размер и КПД важны для компактных
устройств и экономии энергии, особенно в
мобильных и автономных мехатронных
системах.
29
Амплитуда и величина тока должны
соответствовать требованиям нагрузки для
обеспечения надежной и бесперебойной
работы системы.
Примеры выбора: для маломощных
приборов предпочтительны литий-ионные
аккумуляторы, тогда как для
производственных установок чаще
используют импульсные блоки питания.

30.

Ключевые выводы и применение
знаний
Освоение электрических компонентов и законов обеспечивает надёжность
мехатронных систем, способствует эффективному проектированию и диагностике,
повышая качество и безопасность технологий.