Электромагнитное реле (рис. 1) – электромеханическое устройство, механически замыкающее и размыкающее электрические контакты. Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь и группа контактов. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на сердечник из магнитного материала. Подвижный контакт представляет собой рычаг из магнитного материала, который опирается на ярмо с одной стороны прикреплен к возвращающей пружине. Если на катушку не подаётся напряжение, эта пружина поддерживает подвижный и неподвижный контакты разомкнутыми. Как только на электромагнит подаётся напряжение, он притягивает к себе подвижный контакт, в результате чего он приходит соприкасается с неподвижным. Между моментом включения или выключения электромагнита и изменением положения контактов существуют временные задержки $(\sim 10^{-3}~с)$, обусловленные индуктивными свойствами электромагнита и инерционностью механической части реле.
Обозначение реле на схеме приведено на рис. 2. Один из выводов катушки обозначен $+$ в соответствии с правильной полярностью подключения.
Если наблюдать за колебаниями листьев деревьев, дорожных знаков над проезжей частью улиц, полотнищ на ветру, то можно заметить, что во всех перечисленных случаях незатухающие колебания происходят за счет энергии постоянно дующего ветра. При этом сама колебательная система производит отбор энергии ветра в нужный момент времени и в количестве, требуемом для компенсации неизбежно присутствующих энергетических потерь. Частота и амплитуда установившихся колебаний определяется как параметрами самой системы, так и параметрами ее взаимодействия с ветром. Такие колебания являются примерами автоколебаний, а сами системы – примерами автоколебательных систем.
В этой задаче вам предстоит собрать и изучить некоторые свойства автоколебательной системы, ключевым элементом которой будет являться реле. Рассмотрим схему, изображённую на рис. 3.
При подаче напряжения на схему (включении источника питания) через электромагнит начинает идти ток. На подвижный контакт в этот момент действует сила, которая через некоторый промежуток времени замыкает его на неподвижный. При этом ток в напряжение на электромагните падает, подвижный контакт начинает возвращается в исходное положение, и через некоторое время реле вновь размыкается. Далее процесс повторяется циклически. В таком процессе период повторения определяется внутренними инерционными параметрами реле.
Регулировать частоту между срабатываниями реле можно с помощью конденсатора. Подключим конденсатор параллельно обмотке реле (рис. 4).
Изначально конденсатор разряжен. С подачей напряжения на схему (подключением источника питания) в цепи возникает ток и начинается зарядка конденсатора $C$, скорость зарядки которого определяется сопротивлением электромагнита и резистора $r$. После зарядки конденсатора реле замыкается, и конденсатор резко разряжается, из-за чего реле размыкается вновь. Далее процесс повторяется циклически.
Говорят, что в такой автоколебательной системе есть $RC$-цепь задержки, образованная конденсатором и сопротивлением. Если характерное время $RC$-цепи много больше периода циклической работы цепи без конденсатора, то можно говорить о том, что $RC$-цепь полностью определяет частоту работы цепи на рис.4.
Внимание! Не подавайте на обмотку электромагнита реле напряжение более $10.5~В$. Иначе реле выйдет из строя!
Внимание! Нарушение полярности подключения электролитических конденсаторов приводит к их выходу из строя. Новые конденсаторы выдаваться не будут!
A1 Подключите электромагнит реле к источнику напряжения. Плавно увеличивая подаваемое напряжение, измерьте напряжение $U_\mathrm{on}$, при котором срабатывает реле (происходит замыкание).
Плавно уменьшая подаваемое напряжение, измерьте напряжение $U_\mathrm{off}$, при котором подвижный контакт соединится нормально замкнутым.
Проведите измерения несколько раз в каждой из трёх ориентаций реле, показанных на рис. 5.
Почему $U_\mathrm{on}$ отличается от $U_\mathrm{off}$? Почему ориентация реле влияет на ответ?
