Распределенное сопротивление. Результаты поиска по \"распределенное сопротивление\". Устройства СВЧ и антенны метод. разработки к лаб. работам «Математическое моделирование антенн СВЧ»


В системе зажигания автомобилей используются высоковольтные провода. Их свойства, в зависимости от особенностей устройства, могут различаться.

Назначение, общие сведения


Основной задачей высоковольтных проводов является передача электрических импульсов от катушки зажигания на свечи. Поэтому они должны:

  • выдерживать высокое напряжение (до 40 000 В),

  • передавать импульсы с небольшими потерями,
  • обеспечивать минимум помех 1 для радиоэлектронной аппаратуры,
  • иметь хорошую изоляцию для предотвращения утечек тока,
  • сохранять свои свойства в широком интервале температур - от минус 30°С зимой до плюс 100°С и более при работе двигателя летом.
    • Для передачи высоковольтного импульса с минимальными потерями желательно уменьшить электрическое сопротивление провода. Поэтому много лет назад с успехом использовались провода с медной токопроводящей жилой. Но с началом широкого распространения радиоэлектронных устройств (радиоприемников, телевизоров, электронных бортовых систем в самом автомобиле и т.д.) стал проявляться их основной недостаток - излучение большого количества электромагнитных помех.

    Для их снижения в высоковольтной цепи системы зажигания используют дополнительное электрическое сопротивление.

    Помехоподавительный резистор может быть встроен в ротор распределителя (бегунок), свечу или ее колпачок в различных сочетаниях. Кроме того, сопротивлением обладает угольный электрод в крышке распределителя 2 .

    В настоящее время эффективным и наиболее распространенным способом снижения помех является использование высоковольтных проводов с распределенным сопротивлением.


    Устройство


    Современные провода состоят из токопроводящей жилы, изоляции (защитного слоя), металлических контактов и колпачков (рис. 1).

    Токопроводящая жила (рис. 2) бывает нескольких типов:

    • медная многожильная с сопротивлением 0,02 Ом/м (Ом на метр длины провода). С такими проводами необходимы дополнительные помехоподавительные резисторы;
    • неметаллическая с металлической "обвивкой" - распределенное сопротивление до 2 кОм/м. Центральную часть сердечника изготавливают из стекловолокна, пропитанного графитом, льняной нити или кевлара 3 . Часто бывает покрыта слоем ферропласта 4 , который за счет своих свойств также препятствует распространению помех. Поверх навивается тонкая металлическая проволока. Требуются, как правило, дополнительные помехоподавительные резисторы;
    • неметаллическая с высоким распределенным сопротивлением. Провода с такой жилой устанавливают без резисторов.
    Жила такого типа может быть изготовлена из различных материалов, например часто встречаются варианты исполнения из:
    • хлопчатобумажной пряжи, пропитанной сажевым раствором. Иногда сверху ее усиливают хлопчатобумажной или капроновой оплеткой. Сопротивление 15-40 кОм/м;
    • полимерной "жилы" с сопротивлением 12-15 кОм/м. Внутри нее может быть пропущена упрочняющая нить;
    • стекловолоконных нитей с графитовой обсыпкой.
    Изоляция - однослойное или многослойное защитное диэлектрическое покрытие токопроводящей жилы (рис. 3). Предназначена для:
    • предотвращения утечек электрического тока;
    • предохранения жилы от воздействия влаги, горюче-смазочных материалов, вредных паров и высоких температур в моторном отсеке, а также механических повреждений.

    Выполняется из различных видов пластмасс (например, полихлорвинила), силикона, резины в различных сочетаниях. Иногда механическую прочность изоляции увеличивают за счет тканевой, хлопчатобумажной, капроновой, стеклотканевой или полимерной оплетки.

    Металлические контакты (наконечники) обеспечивают электрическое соединение токопроводящей жилы с соответствующими контактами (гнездами, высоковольтными выводами) свечи и катушки зажигания или крышкой распределителя. Основные требования: Контакты, с которыми соединяется высоковольтный провод, бывают нескольких типов. Используемые наиболее часто показаны на рис. 5, причем на разных концах провода они могут различаться.

    Колпачки защищают места соединений контактов провода с соответствующими выводами катушки, распределителя и свечей зажигания от агрессивных воздействий внешней среды и предотвращают утечку электрического тока. Основные требования к ним: Колпачки имеют различную форму, изготавливаются из резины, силикона, пластмассы или эбонита (фото 3). В некоторые из них встраивают дополнительный помехоподавительный резистор (рис. 6) или металлический экран для уменьшения помех.


    Неисправности


    Основные неисправности проводов - разрыв электрической цепи и утечка тока .

    Разрыв электрической цепи происходит чаще всего в месте соединения металлического контакта провода с токопроводящей жилой и другими деталями системы зажигания, например при:

    • снятии провода;
    • плохом соединении с выводами соответствующих элементов системы зажигания;
    • окислении или разрушении жилы.
    В местах нарушения соединения происходит искрение и нагрев, что еще больше ухудшает ситуацию и может привести к выгоранию металлических контактов или жилы.

    Утечка электроэнергии происходит через загрязненные провода, свечи, крышку распределителя и катушку зажигания, а также при повреждении изоляции и колпачков провода, поэтому их диэлектрические свойства в процессе эксплуатации ухудшаются.

    При низких температурах высоковольтные провода становятся более жесткими, увеличивается вероятность повреждения их изоляции и колпачков. Кроме того, из-за постоянной вибрации, сопровождающей работу двигателя, расшатываются места соединений, что может привести к ухудшению контакта, например в крышке распределителя. От повышенной температуры больше других страдают свечные колпачки, так как они находятся ближе всего к нагретым деталям двигателя и к тому же часто выходят из строя при снятии.

    Со временем все элементы системы зажигания неизбежно покрываются слоем пыли и грязи, влагой и парами горюче-смазочных материалов, которые являются проводниками тока и значительно увеличивают утечки, особенно во влажную погоду и при повреждениях изоляции. Кроме того, от попавших влаги и грязи происходит дальнейшее увеличение микротрещин.



    При выборе высоковольтных проводов желательно ориентироваться на рекомендации как их изготовителей, так и производителей двигателя.

    При покупке полезно внимательно изучить упаковку. Желательно, чтобы на ней на русском языке были указаны модели автомобилей или двигателей, для установки на которые предназначены эти провода. Отсутствие указания завода-изготовителя проводов и его "координат" - достаточное условие для отказа от покупки. Также не стоит приобретать провода, на упаковке которых встречаются орфографические ошибки, чаще всего в слове silicon. Следует учитывать, что на высоковольтные автомобильные провода есть только международный стандарт ISO 3808, а отечественных не существует, поэтому наличие и содержание надписей на них определяет сам производитель.

    Если система зажигания дает высоковольтный импульс с небольшой энергией, например у автомобилей с контактной системой зажигания (большинство заднеприводных ВАЗов), то ставить провода с высоким распределенным сопротивлением не стоит. Это снизит мощность искры и, при неблагоприятных условиях, возможны пропуски воспламенения горючей смеси (например, при зимнем пуске холодного двигателя) 5 .

    Сопротивление провода можно измерить с помощью тестера. Однако для проводов с обвивкой токопроводящей жилы этот способ не корректен, так как при работе на двигателе величина их сопротивления меняется. Это обусловлено их конструктивными особенностями.

    Уровень помех, создаваемых как электрооборудованием автомобиля в целом, так и высоковольтными проводами, можно оценить с помощью установленного в нем приемника (автомагнитолы). Порядок работ при подобной проверке дан на схеме .

    Выбирая провода по материалу изоляции, следует учитывать напряжение в системе зажигания конкретного автомобиля. При максимальных его значениях, которые могут быть указаны в руководстве по ремонту, изоляция не должна допускать пробоя. Предпочтительнее провода с изоляцией и колпачками, материал которых не становится жестким и ломким на морозе и выдерживает высокую температуру в моторном отсеке, например из силикона. Кроме того, он меньше смачивается водой, а значит, снижается вероятность электрического пробоя. Силикон на ощупь восковитый, и провода из него допускают сильные перегибы.

    В процессе эксплуатации автомобиля прежде всего необходимо содержать провода чистыми и сухими. Для этого можно, например, периодически протирать бензином снятые с автомобиля крышку распределителя, катушки зажигания, изоляторы свечей и сами провода с колпачками.

    Часто удается определить пробой изоляции при работе двигателя на слух (слышны щелчки) или визуально. Если открыть моторный отсек в темное время суток, то место утечки тока будет видно по проскакивающей искре. В темноте иногда заметно свечение (сияние) вокруг приборов системы зажигания из-за влажности и ионизации воздуха, например перед грозой, или при больших утечках тока.

    Обрыв проволоки в обвивке неметаллической токопроводящей жилы (рис. 2, б) может не проявляться на холостых оборотах коленвала и при невысоких нагрузках, в то время как на повышенных - двигатель будет "троить", если поврежден провод, идущий к свече, или глохнуть, если неисправен центральный.

    Хороший контакт в наконечниках предотвращает потерю энергии импульса, передаваемой к свечам. Поэтому желательно периодически проверять, хорошо ли вставлены наконечники в гнезда соответствующих элементов системы зажигания.

    Для предотвращения повреждений провода его рекомендуется снимать, начиная с колпачка, а не выдергивая за изоляцию.

    Герметичность колпачков в местах соединения проводов уменьшает окисление наконечников и последующее ухудшение контакта. Поэтому важно до конца надевать колпачки, а при возникновении на них трещин - заменять.

    Редакция благодарит за помощь в подготовке материала кандидата технических наук А.И. Фещенко, доцента кафедры электротехники и электрооборудования МАДИ (ГТУ).

    Помехи образуются из-за импульсов напряжения большой частоты в системе зажигания. Для отечественных автомобилей их величины следующие: ротор – до 8 кОм, свеча – 4–10 кОм, колпачок свечи – 4–13 кОм, центральный электрод – 8–14 кОм. Гибкий искусственный материал, обладающий высокой прочностью. 20% поливинилхлоридного пластиката ПДФ и 80% ферритового или марганец-никелевого и никель-цинкового порошка. Сравнить энергию искры с теми или иными проводами можно, подсоединив разрядник вместо свечей на автомобиле и провернув коленвал двигателя стартером. При этом желательно, а на автомобилях с каталитическим нейтрализатором отработанных газов – обязательно, отключить подачу топлива. Большое общее сопротивление во вторичной цепи сделает искру более бледной и тонкой. Разрядник представляет собой два электрода в изолирующем корпусе, расстояние между концами которых 7 мм. Имитировать разрядник можно, надежно закрепив наконечник высоковольтного провода на этом расстоянии от металлической детали двигателя.

    По материалам сайта

    Высоковольтные провода зажигания предназначены для потока электрических колебаний, которые поступают к свечам от катушки зажигания.

    Справка

    Высоковольтные провода зажигания выполняют следующие задачи:

    • передают импульсные сигналы, минимизируя потери (обеспечивается высокое напряжение);
    • устраняют большинство помех радиоэлектронного оборудования;

    Свойства:

    С целью передачи импульса высокой мощности тока, нужно обеспечить минимум потерь высоковольтных колебаний(высокое напряжение). Снижением электромагнитных полей (высоковольтная цепь зажигания) занимается резистор, посредством которого обеспечивается вспомогательное электросопротивление. Его расположение может быть разным − в распределительном роторе/бегунке, свече и ее наконечнике с различными комбинациями. Угольный электрод тоже создает сопротивление и находится в распределительной крышке.

    Наиболее современный, эффективный и распространенный способ борьбы с нежелательными колебаниями − высоковольтные провода, которые обеспечивают распределенное сопротивление.

    Устройство

    Нынешние высоковольтные провода имеют следующий состав:

    Неполадки

    Высоковольтные провода подвержены некоторым типичным неисправностям:

    Пример повреждения высоковольтного провода

    • Разрыв соединения. Электрическая цепь часто прерывается на участках соединений контактов из металла проводки с жилой (токопроводящая). Также разрыв может случиться:
      • при отсоединении провода;
      • при ненадежном взаимодействии определенных узлов системы зажигания;
      • когда жила окисляется.

    Характерной предпосылкой для порчи соединений является нагрев/искры. Это чревато выгоранием жилы/металлических контактов.

    • Утечки тока. Причиной утечки могут быть:
      • загрязненная проводка;
      • грязь на свечах зажигания;
      • распределительная крышка;
      • катушка зажигания;
      • поврежден изоляционный слой.
      • неисправность колпачков проводки. Напряжение падает от засорения проводки, свечей, распределительной крышки, катушки зажигания, когда повреждается изоляция и колпачки проводки.

      В связи с вышеперечисленным, диэлектрические характеристики данных деталей по ходу эксплуатации становятся хуже.

    Предпосылки:

    1. Низкие температуры. Пагубно влияют на высоковольтные провода, делая их более жесткими/негибкими. Это чревато повреждением их изоляционного слоя, колпачков.
    2. Постоянная вибрация. Возникает при работе силового агрегата, расшатывает места соединений − это негативно отражается на контактах.
    3. Высокие температуры. Разрушают колпачки свечей зажигания, ибо сами свечи находятся в непосредственной близости от нагретых частей силового агрегата.
    4. Осадки. Постепенно узлы системы зажигания покрываются различными отложениями (пыль, грязь, пары, масло и прочее). Данные осадки служат в качестве проводника тока, что существенно увеличивает риск утечки. Поврежденная изоляция существенно снижает напряжение.

    Что нужно знать

    Повреждение проволоки в обвивке токопроводящей жилы (неметаллическая) выдается по характерному «троению» мотора на высоких оборотах. Тогда неисправен провод, подходящей к свече, в случае повреждения центрального − мотор глохнет.

    Чтобы предотвратить повреждения проводки, нужно снимать ее, начиная с колпачков. Изъятие за изоляцию не рекомендовано.

    Нужно следить за герметичностью колпачков в местах взаимодействия проводки − это снижает риск окисления наконечников с последующим ухудшением контактов. Поэтому не рекомендуется до конца насаживать колпачки. Если на них появляются трещины − менять.

    Наиболее широко распространенные "жигулевские" провода имеют следующую конструкцию. Сердечник провода, в виде шнура из льняной пряжи, заключен в оболочку, изготовленную из пластмассы с макси­мальным добавлением феррита. Поверх этой оболочки намотан провод диаметром 0,11 мм из сплава никеля и железа по 30 витков на санти­метр. Снаружи провод имеет изолирующую оболочку из поливинилхлорида.

    Высоковольтные провода должны быть чистыми, иначе снаружи мо­жет образоваться токопроводящий слой грязи, который будет умень­шать максимальное напряжение во вторичной цепи.

    Главное в проводах - это величина распределенного по длине со­противления и величина пробивного напряжения изоляции. В зависи­мости от величины распределенного сопротивления оболочка провода имеет различную окраску. "Красные" высоковольтные провода имеют распределенное сопротивление 2 кОм на метр длины (точнее 1,8-2,2 кОм) и пробивное напряжение 18 кВ. Для систем зажигания высокой энергии (ВАЗ-2108, -2109) применя­ют провода синего цвета (силиконовая изоляция) с распределенным сопротивлением 2,55 кОм (2,28-2,82 кОм) и пробивным напряжением до 30 кВ. Зарубежные высоковольтные провода, как правило, отлича­ются повышенным распределенным сопротивлением (более строгие требования к подавлению радиотелепомех у систем зажигания высо­кой энергии). Величина распределенного сопротивления может быть в пределах 9-25 кОм на метр, т.е. заметно больше наших "красных" и "синих" проводов.

    Увеличение распределенного сопротивления вызывает уменьше­ние времени горения искры между электродами свечи до 20 %, а энер­гию высоковольтного импульса - до 50 %. Такое снижение может све­сти на нет все "запасы" в системе зажигания и запуск двигателя при неблагоприятных условиях может оказаться невозможным.

    Большое значение имеет жесткость проводов. Чем провода более жесткие (особенно при низких температурах), тем быстрее ослабляют­ся их контакты в соединениях.

    При системах зажигания высокой энергии высоковольтные провода нельзя прокладывать в одном жгуте с другими проводами. При обыч­ной системе так же лучше провод, соединяющий клемму 1 катушки и прерыватель, сняв резиновую шайбу, "разлучить" с высоковольтным проводом, идущим от катушки.

    И последнее о проводах высокого напряжения. Если в темноте, от­крыв капот при работающем двигателе, вы обнаружили "северное сия­ние" - светящиеся высоковольтные провода, то их необходимо заме­нить. Если за высоковольтные провода иномарок можно свободно браться руками, то до наших проводов лучше не дотрагиваться. При обычной системе зажигания "дотрагивание" может вызвать просто не­приятные ощущения, при системах зажигания высокой энергии искра может пробить кожу и велика вероятность получить травму.

    Полученное выражение показывает, что входное сопротивление является функцией параметров линии и , ее длины и нагрузки . При этом зависимость входного сопротивления от длины линии, т.е. функция , не является монотонной, а носит колебательный характер, обусловленный влиянием обратной (отраженной) волны. С ростом длины линии как прямая, так соответственно и отраженная волны затухают все сильнее. В результате влияние последней ослабевает и амплитуда колебаний функции уменьшается.

    При согласованной нагрузке, т.е. при , как было показано ранее, обратная волна отсутствует, что полностью соответствует выражению (1), которое при трансформируется в соотношение

    .

    Такой же величиной определяется входное сопротивление при .

    При некоторых значениях длины линии ее входное сопротивление может оказаться чисто активным. Длину линии, при которой вещественно, называют резонансной. Как и в цепи с сосредоточенными параметрами, резонанс наиболее ярко наблюдается при отсутствии потерь. Для линии без потерь на основании (1) можно записать

    . (4)

    Исследование характера изменения в зависимости от длины линии на основании (3) показывает, что при по модулю изменяется в пределах и имеет емкостный характер, а при - в пределах и имеет индуктивный характер. Такое чередование продолжается и далее через отрезки длины линии, равные четверти длины волны (см. рис. 1,а).

    В соответствии с (4) аналогичный характер, но со сдвигом на четверть волны, будет иметь зависимость при КЗ (см. рис. 1,б).

    Точки, где , соответствуют резонансу напряжений, а точки, где , - резонансу токов.

    Таким образом, изменяя длину линии без потерь, можно имитировать емкостное и индуктивное сопротивления любой величины. Поскольку длина волны есть функция частоты, то аналогичное изменение можно обеспечить не изменением длины линии, а частоты генератора. При некоторых частотах входное сопротивление цепи с распределенными параметрами также становится вещественным. Такие частоты называются резонансными. Таким образом, резонансными называются частоты, при которых в линии укладывается целое число четвертей волны.

    Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами

    Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами имеют характер блуждающих волн, распространяющихся по цепи в различных направлениях. Эти волны могут претерпевать многократные отражения от стыков различных линий, от узловых точек включения нагрузки и т.д. В результате наложения этих волн картина процессов в цепи может оказаться достаточно сложной. При этом могут возникнуть сверхтоки и перенапряжения, опасные для оборудования.

    Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами возникают при различных изменениях режимов их работы: включении-отключении нагрузки, источников энергии, подключении новых участков линии и т.д. Причиной переходных процессов в длинных линиях могут служить грозовые разряды.

    Уравнения переходных процессов в цепях с распределенными параметрами

    При рассмотрении схемы замещения цепи с распределенными параметрами были получены дифференциальные уравнения в частных производных

    ; (5)
    (6)

    Их интегрирование с учетом потерь представляет собой достаточно сложную задачу. В этой связи будем считать цепь линией без потерь, т.е. положим и . Такое допущение возможно для линий с малыми потерями, а также при анализе начальных стадий переходных процессов, часто наиболее значимых в отношении перенапряжений и сверхтоков.

    С учетом указанного от соотношений (5) и (6) переходим к уравнениям

    Аналогично получается уравнение для тока

    . (12)

    Волновым уравнениям (11) и (12) удовлетворяют решения

    Как и ранее, прямые и обратные волны напряжения и тока связаны между собой законом Ома для волн

    И ,

    где .

    При расчете переходных процессов следует помнить:

    1. В любой момент времени напряжение и ток в любой точке линии рассматриваются как результат наложения прямой и обратной волн этих переменных на соответствующие величины предшествующего режима.
    2. Всякое изменение режима работы цепи с распределенными параметрами обусловливает появление новых волн, накладываемых на существующий режим.
    3. Для каждой волны в отдельности выполняется закон Ома для волн.
    Как указывалось, переходный процесс в цепях с распределенными параметрами характеризуется наложением многократно отраженных волн. Рассмотрим многократные отражения для двух наиболее характерных случаев: подключение источника постоянного напряжения к разомкнутой и короткозамкнутой линии.

    Переходные процессы при включении на постоянное напряжение
    разомкнутой и замкнутой на конце линии

    При замыкании рубильника (см. рис. 2) напряжение в начале линии сразу же достигает величины , и

    возникают прямые волны прямоугольной формы напряжения и тока , перемещающиеся вдоль линии со скоростью V (см. рис. 3,а).Во всех точках линии, до которых волна еще не дошла, напряжение и ток равны нулю.Точка, ограничивающая участок линии, до которого дошла волна, называется фронтом волны. В рассматриваемом случае во всех точках линии, пройденных фронтом волны, напряжение равно , а ток - .

    Отметим, что в реальных условиях форма волны, зависящая от внутреннего сопротивления источника, параметров линии и т.п., всегда в большей или меньшей степени отличается от прямоугольной.

    Кроме того, при подключении к линии источника с другим законом изменения напряжения форма волны будет иной. Например, при экспоненциальном характере изменения напряжения источника (рис. 4,а) волна будет иметь форму на рис. 4,б.

    В рассматриваемом примере с прямоугольной волной напряжения при первом пробеге волны напряжения и тока (см. рис. 3,а) независимо от нагрузки имеют значения соответственно и , что связано с тем, что волны еще не дошли до конца линии, и, следовательно, условия в конце линии не могут влиять на процесс.

    В момент времени волны напряжения и тока доходят до конца линии длиной l, и нарушение однородности обусловливает появление обратных (отраженных) волн. Поскольку в конце линия разомкнута, то

    ,

    откуда и .