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《电路分析导论(原书第12版)》一3.15 应用

简介:

本节书摘来华章计算机《电路分析导论(原书第12版)》一书中的第3章 ,第3.15节,(美) Robert L.Boylestad 著 陈希有 张新燕 李冠林 等译更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.15 应用

以下是电阻应用的例子。这些例子包括对电加热器的分析和对结构支撑件的应力或应变的测量。一般来说,电阻是任何电气或电子系统都离不开的电路元件。

3.15.1 护壁板电热器

电阻最常用于家庭的固定装置中,如面包机和护壁板电热器的加热部分。在这些装置中,电流通过电阻产生热量,实现所需要的功能。
最近,我对房子进行了一下改造。地方电工通知我,接在单一线路上的护壁板电热器的总长度不能超过16ft。这自然使我对每英尺功率数、电流大小,以及16ft的长度是否是符合国家标准等感到好奇。通过阅读2ft长护壁板电热器上的标签,如图3.40a所示,我发现了下面信息:VOLTS AC 240/208,WATTS 750/575(额定功率将在第4章介绍),AMPS 3.2/2.8。由于我家中的配电盘额定电压是240V(大多数住宅都是如此),在电流为3.2A的情况下,每英尺的额定功率是750W/2=375W。因此16ft长的电加热器总功率是16×375=6000W。
在第4章你将发现,电阻负载的功率与电流和所施加的电压有关,用公式P=VI来计算。根据这一公式,总电流就可以写成I=P/V=6000W/240V=25A。结果说明,我们需要一个电流大于25A的断路器;否则,若小于此值,每次打开电加热器时都要跳闸。根据我家的情况,地方电工使用了一个32A的断路器,以满足国家消防规范要求,加热器电流不得超过断路器的保护电流或导线最大电流的80%。在大多数配电盘上,一个32A的断路器需要两个插槽,而更常见的20A断路器只占用一个插槽。如果你能停顿一刻,请看看你自己家的配电盘,注意观察一下用于不同电路的断路器电流额定值。
回到表3.2,我发现常用于大多数家用电路中的12号导线,最大额定电流是20A,它不适合我家的加热器。又因为11号导线不是商用导线,所以最后选用了最大电流为30A的10号导线。你可能奇怪,一个2ft长电加热器需要的电流只有3.2A,为什么16ft长的加热器从电源吸收的电流是25A?这是由于每段电加热器都是并联连接,具体形式将在第6章加以介绍。现在弄清了为什么单个线路上的电加热器总长度被限制在16ft以内。如果同一线路上还有其他用电器,则可能使电流增加到超过对10号线的消防要求,或接近断路器电流的最大值。
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图3.40b说明了加热元件的内部构造。右侧的红色导线连接到加热元件的内核,黑色导线通到加热单元的端子盒(把外部导线引到这里并连接起来的地方)。如果仔细观察加热单元的一端,如图3.40c所示,你会发现,作为加热器核的发热导线没有直接连接到圆形外套上,这个外套连接着散热片。人们使用一种陶瓷材料(绝缘子)将发热导线与散热片分开,为的是防止发热导线与散热片发生导通,从而带来危险。使用陶瓷材料是因为它是热的良导体。此外它还有较大的热容量,即使关闭了电路,加热器的温度也能保持一段时间。再看图3.40d,穿过金属外套的发热线通常是镍铬混合物(纯的镍铬合金是相当脆弱的),缠绕成线圈形状,以利于加热时的膨胀和冷却时的收缩,也使得能在较短的护壁板长度内布置更长的发热导线。如果打开2ft长电热器的内部,你会发现,在金属外套中的镍铬发热线实际长度是7ft,是电热器长度的3.5倍。回想一下这一章可知,导线越长、越细,导线的电阻就越大。我们拿来一段镍铬合金,分别用合适的电流和吹风机来加热它。结果发现电阻的变化几乎无法察觉。这是对表3.4中电阻温度系数意义的最生动证明。由于镍铬合金的温度系数太小,除非温度变化很大,否则无法测出电阻的变化。图3.11中的曲线,对镍铬合金来说几乎是水平的。对电加热器而言,这是一种十分优异的特性,因为它产生热的速率和消耗的电功率将不随时间的变化而变化,产生的热流相当稳定。
由于下面两个原因,与电源连接的导线不能焊接到镍铬合金发热线上。首先,镍铬合金不能相互焊接,或与其他类型的导线焊接,这是由它们的材料性质决定的。第二,假如能焊接,也会有问题,因为发热导线产生的热量可能使焊点的温度升高到880°F以上。焊料融化,连接就会断开。所以镍铬合金必须采用点焊连接,或与铜导线卷在一起。根据公式(3.1),直径为8mil、长度为7ft的纯镍铬合金的电阻是
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在第4章,将详细介绍功率、电流和电阻的关系式,即P=I2R。使用功率和电流的铭牌数据求解电阻,得到
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该值非常接近根据几何尺寸计算出来的电阻值,存在差别是因为我们不能绝对肯定混合物的电阻率。
在正常工作时,电流通过发热导线产生热量,并将热量传导到散热片上,再借助空气对流来加热房间。由于热空气向上升,增强了空气的流动。当热空气离开加热器顶部时,它就给底部的冷空气留出了空间,从而导致了对流效应。如果封闭加热器的顶部或底部,空气对流被阻断,也就不能加热房间了。实际使用时,也可能发生加热器内部变得过热的情况,它会引起金属护壁也变得过热。一旦发生这一问题,上面介绍的过热保护元件就要起作用,如图3.40b所示。这个细长的铜管内部充满了液体油,加热时油将发生膨胀。如果过热,它的膨胀会使开关动作,切断加热器电源,使加热器逐渐冷却下来,保护了加热器。

3.15.2 电阻应变仪

建筑物或机械结构的任何形变都能用电阻应变仪检测出来。应变仪的电阻随着施加的压力或产生的屈伸而变化。图3.41是电阻应变仪的一个例子。金属电阻应变仪是用好的导线或栅状形式的细金属箔来构造的。当它被压缩或伸展时,其电阻将发生变化。使用电阻应变仪的一个简单示例是监控地震活动。将应变仪放置在一个被怀疑可能发生地震的地方,当大陆发生哪怕是最轻微的变形,都会导致应变仪电阻的改变。计算机处理器将对电阻的变化进行分析,然后给出变形灵敏性分析结果。另一个应用例子是支撑结构的报警系统。当某些人行走在支撑梁上时,支撑梁形状的丝毫变化都会导致应变仪电阻的变化,据此产生一个支撑梁变形的报警信号(发声、发光灯)。其他应用的例子包括将应变仪放置在桥梁中,监视它们的刚度变化;或安放在功率非常大的发电机中,检查各运动部件的间隙是否因轴承或垫片的磨损而变大。便携式计算机键盘上的小鼠标控制扭,就是由一系列的应变仪组成的,它们靠受力后的不同伸缩来识别施加到控制扭上的压力方向,计算机根据识别结果来控制屏幕上的鼠标运动。
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