Основные положения. Изучение устройства и принципа АТС

Изучение устройства и принципа АТС

Цель работы: Ознакомится с принципом работы автоматических телефонных станций.

Задание Изучитьустройство и принцип коммутационных приборов АТС

Основные положения

Коммутационными приборами КП называются устройства, с помощью которых можно скачкооб­разно изменять состояние проводимости электрических цепей (замыкать или размыкать их) на опре­деленный промежуток времени. Такое изменение проводимости электрической цепи можно осущест­вить двумя способами: механическим соприкосновением двух токоведущих поверхностей электриче­ской цепи - контактным путем или изменением параметров одного из элементов цепи (сопротивле­ния, емкости, степени намагниченности этого элемента) - бесконтактным путем. В соответствии с этим различают контактные и бесконтактные КП. По количеству одновременно коммутируемых электрических цепей КП делятся на однопроводные и многопроводные. Однопроводные КП позволяют изменять состояние проводимости только одной электрической цепи (I =1, где I — число одновременно коммутируемых цепей). Многопроводные КП обеспечивают одновременное воздействие на две или более электрические цепи (I>2). По способам управления все КП можно разделить на приборы ручной и автоматической коммутации. К приборам ручной коммутации относятся устройства, управляемые механическим воздействием человека в соответствии с полученной адресной информацией, различные кнопочные переключатели, ключи, телефонные гнезда и штепселя. Остальные КП, управляемые электрическими сигналами, относятся к группе коммутационных приборов автоматической коммутации.

Приборы автоматической коммутации в соответствии с их структурными параметрами можно раз­делить на четыре вида: реле, искатели, многократные соединители и соединители. Коммутационный прибор, имеющий один вход и один выход, два устойчивых состояния и переходящий из одного со­стояния в другое под действием сигнала, поступающего из устройства управления, называется реле (рис. 2.1а). При однородной I-проводной коммутации в одном состоянии реле отсутствуют соедине­ния между всеми l проводами входа и выхода, а в другом, между входом и выходом устанавливается I-проводное соединение. Местоположение одного коммутационного элемента принято называть точ­кой коммутации. Условное изображение в координатном и символическом начертаниях показано на рис. 2.1 (б и в). При неоднородной коммутации в одном состоянии реле отсутствует соединение между i проводами входа и выхода при наличии (l—i) проводного соединения между ними. В другом состоянии, наоборот, устанавливается i-проводное соединение (0<i<l) и нарушается (l—i)-проводная связь между входом и выходом реле.

Коммутационный прибор с одним входом и m выходами, обеспечивающий выбор одного из m выходов и подключение к нему входа, называется искателем (рис. 2.1г). Искатели характеризуются числом выходов m (m>2) и проводностью I (I> 1). Условное изображение искателя в координатном и символическом начертаниях показано на рис. 2.1 д и е.

Коммутационный прибор, имеющий nхm выходов и n входов, каждый из которых может быть подключен к любому из m определенных, только ему доступных выходов, называется многократным соединителем. Такой прибор представляет собой конструктивное объединение n устройств с одним входом и т выходами (рис. 2.1 ж). Многократные соединители характеризуются: числом входов (n) и числом выходов (т), доступных одному входу, и их проводностью I. Условное изображение много­кратного соединителя в координатном и символическом изображениях показано на рис. 2.1з и и.

Соединителем называется коммутационный прибор (рис. 2.1 к),. имеющий n входов и m выходов, в котором может быть установлено соединение любого из n входов с любым из m выходов, причем одновременно может быть установлено m соединений, если n> т, или n соединений, если n<т. На рис. 2.1л и м приведены его координатное и символическ изображения.

К приборам автоматической коммутации предъявляют ряд требований: они должны обладать

- высоким коммутационным коэффициентом, (под которым понимают отношение К_к=R_раз/R_зам,

где R_раз и R_зам,— сопротивление между входом и выходом КП в состоянии размыкания и замыкания соответственно;)

- большой проводностью,

- высокой чувствительностью

- малым временем действия;

- стабильностью,

- надежностью и долговечностью работы;

- малой стоимостью.

Поскольку конечной целью коммутационных процессов является образование соединительного тракта между абонентами, то требованиям коммутации разговорных цепей наиболее полно удовлетворяют контактные коммутационные приборы, обеспечивающие высокий коммутационный коэффициент К_к=10⁹-10¹². К таким приборам, главным образом, относятся различные электромагнитные реле, электромеханические искатели и соединители.

1 Электромагнитные реле

1.1 Виды электромагнитных реле.

Существует большое число типов реле, отличающихся принципами действия, конструкцией, скоростью работы и т. д. Например; по виду управляющего тока разделяют реле постоянного тока и реле переменного тока. Наибольшее распространение в технике связи нашли электромагнитные реле. Электромагнитные реле называются поляризованными, если их магнитная система содержит постоянные магниты, и нейтральными или просто электромагнитными, если магнитная цепь реле постоянных магнитов не содержит. Контакты реле могут быть открытыми (реле с открытыми контактами) и изолированными от внешней среды — герметизированными (герконовые реле).

В схемах телефонной коммутации обычно применяются нейтральные электромагнитные реле по­стоянного тока с открытыми и с герметизированными контактами.

1.1.1 Электромагнитные реле с открытыми контактами.

Рис.1 Устройство электоромагнитных реле.

а)- типа РЭС-14, б)-типа РПН,в)- условно-графическое обозначение

Магнитная система таких реле, выполнена из магнитомягкой стали с малой остаточной намагниченностью; состоит из сердечника 1, якоря 2 и основания 3 (рис. 1а) или из сердечника 1, составляющего одно целое с основанием, и якоря 2 (рис. 1б). На сердечнике между щеками катушки 4 размещается обмотка 5, выполняющая функции управляющего входа реле. Для обмоток обычно используется медный эмалированный провод марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,06—1,0 мм. На основании размещается исполнительная часть реле - контактная система. Она состоит из контактных пружин 6, контактов 7 и стойки 8. Пружины обычно выполняются из медно-цинкового сплава - нейзильбера, обладающего значительной упругостью и хорошей электропроводностью. Контакты изготовляются из материала, имеющего высокую электропроводность, достаточную механическую прочность, устойчивость против коррозии и электрической эрозии.

В зависимости от величины и вида протекающего тока для изготовления контактов используют следующие материалы; цепями с индуктивной нагрузкой и токами до 0,2 А - серебряные контакты, при токах до 1 А - контакты из платины с добавкой иридия, а для реле датчиков импульсов (токи 2—3 А) - контакты из вольфрама.

В положении покоя между сердечником 1 и якорем 2 за счет действия возвращающей пружины (на рис. 1 она не показана) и контактных пружин образуется воздушный зазор величиной δ. При пропускании по обмотке 5 тока возникает магнитный поток, основная часть которого Ф₀ замыкается по цепи: сердечник 1, воздушный зазор δ, якорь 2, основание 3 (рис. 1а) или сердечник 1, воздушный зазор δ, якорь 2 (рис. 2.26). На якорь реле действует тяговое усилие F

F = кФ₀²,

где k — коэффициент, учитывающий параметры магнитной цепи и величину воздушного зазора.

Если величина тягового усилия F больше противодействующих усилий якоря, контактных и возвращающих пружин Q, то якорь притягивается к сердечнику. Величина перемещения якоря δ_я называется - ходом якоря. Полному притяжению якоря к сердечнику препятствует размещенный на нем штифт отлипания 9 или пластина отлипания 9', толщиной δ₀. Поэтому ход якоря меньше воздушного зазора δ и составляет δ _я = δ - δ₀.

При притяжении якоря контакты прижимаются друг к другу (рис. 1а) с определенным давлением, называемым - контактным давлением. От величины контактного давления зависит электрическое сопротивление, которое при его номинальном значении составляет примерно - 0,01 Ом.

При выключении цепи тока исчезает магнитный поток, удерживающий якорь у сердечника. Под действием контактных и возвращающей пружин якорь и контактные пружины возвращаются в исходное положение. Процесс перехода реле из исходного состояния в рабочее называется срабатыванием, а обратный процесс - отпусканием реле.

Коммутационные возможности реле определяются количеством и видом контактных пружин, устанавливаемых на реле. В табл. 1 приведены основные контактные элементы, представляющие собой комбинацию контактных пружин, которые могут образовывать электрический контакт друг с другом, и их условные обозначения в исходном (бестоковом) состоянии реле.

Таблица 1:Основные контактные элементы реле.

Обозначение	Вид контактного элемента	Конструкция	Условно-графическое обозначение
З	Замыканиез
Р	Размыкание
П	Переключение
БП	Безразрывное переключение
СР	Сдвоенное размыкание
СЗ	Сдвоенное замыкание

Контактные элементы образуют контактные группы. Каждая контактная группа содержит от двух до шести контактных пружин. Реле может иметь до четырех контактных групп. Название каждой контактной группы образуется из сокращенных наименований ее контактных элементов виде прямоугольника и обозначают прописной буквой, а его контактные элементы — той же, но строчной буквой. Внутри прямоугольника может быть указана величина сопротивления обмотки реле (рис. 1в).

Из многих разновидностей нейтральных электромагнитных реле с открытыми контактами массовое применение в автоматической коммутации нашли реле РПН, РЭС-14 и отчасти РЭС-9. Магнитная система реле РПН показана на рис. 1б, а реле РЭС-14 — на рис. 1а. Реле РПН имеет простую конструкцию. Большинство его деталей изготовляется методом штамповки. Катушка реле может содержать одну, две или три обмотки. Контактная система реле позволяет устанавливать от одной до трех контактных групп при общем числе контактных пружин от 2 до 18. Число срабатываний реле (срок службы) составляет 10⁶. Основными недостатками реле являются большие габариты, неуравновешенный тяжелый якорь. По сравнению с реле РПН реле РЭС-14 имеет меньшие габариты, большие коммутационные возможности (содержит до 24 контактных пружин) и больший срок службы — около 10⁸ срабатываний.

Малогабаритное реле РЭС-9 применяется в тех случаях, когда основными требованиями являются малые габариты и быстродействие. Оно содержит две группы контактов на переключение. Реле защищено алюминиевым чехлом и приспособлено для размещения на плате с печатным монтажом Срок службы невелик — меньше 10⁵ срабатываний.

1,1,2 Реле с герметизированными контактами.

Реле с герметизированным контактом (геркон) на замыкание (рис. 2) представляет собой две плоские пружины 1, изготовленные из пермаллоя (железоникелевого сплава с высокой магнитной проницаемостью и малой остаточной намагниченностью).

Рис 2 Устройство геркона.

а)-замыкающий, б)- переключающий.

Пружины полностью изолированы от окружающей среды, для чего помещены в заполненный инертным газом, стеклянный баллон 2. Диаметр баллона 3—5 мм, длина 30—50 мм. Пружины расположены так, что их внутренние концы, покрытые тонким слоем золота, имеют некоторое перекрытие. Такой геркон (или их группу) размещают внутри катушки с обмоткой помещенной в ферромагнитном корпусе последний выполняет роль магнитопровода и экрана. Такое устройство называется герконовое реле. При прохождении тока через обмотку возникает магнитный поток, который замыкается через корпус и контактные пружины. Под действием разности магнитных потенциалов в зазоре контактные пружины притягиваются друг к другу, образуя электрический контакт. При выключении тока пружины под действием сил упругости размыкаются.

Герметизированный контакт на переключение, кроме двух подвижных пружин из пермаллоя, имеет неподвижную пружину, изготовленную из немагнитного материала. В исходном состоянии (при отсутствии тока в обмотке) свободный конец нижней подвижной пружины прижат силой упругости к неподвижной пружине. При подаче тока в обмотку подвижные пружины намагничиваются, нижняя подвижная пружина отрывается от неподвижной пружины и притягивается к верхней подвижной пружине. При включении питания нижняя подвижная пружина под действием сил упругости возвращается в исходное положение.

Герконовые реле имеют достаточно высокую надежность (число срабатываний до 10⁹), малое время срабатывания и отпускания, стабильное сопротивление контакта и небольшую потребляемую мощность. Наиболее широко для целей коммутации используются герконовые реле РЭС-46 и РЭС-55 с одной контактной группой на замыкание и переключение соответственно и реле РЭС-51 с шестью контактными группами.

Феридовым реле или феридом называется герконовое реле, магнитная система которого изготовлена из магнитного (ферритового) материала с прямоугольной петлей гистерезиса, обладающего достаточной для срабатывания и удержания герконового контакта остаточной намагниченностью.

Рис 3.Принцип действия феридового реле.

При прохождении через обмотку постоянного тока I₃ достаточной амплитуды контактные пластины замыкаются и остаются в замкнутом состоянии за счет остаточного намагничивания сердечника. Для размыкания пластин через обмотку пропускают импульс тока I_Р противоположной полярности с тем, чтобы снять остаточное намагничивание. При этом ток не должен превышать определенной величины. В противном случае возникает обратный магнитный поток, сила которого может оказаться достаточной для вторичного замыкания пластин. Чтобы снять ограничения, налагаемые на величину тока выключения, в фериде вместо одного используют два магнитопровода (рис.3б). В этом, так называемом, параллельном фериде используются методы параллельного и последовательного намагничивания (рис.3в). Параллельное намагничивание осуществляется равными по величине и совпадающими по направлению токами подаваемыми в обе обмотки (контакты замыкаются). Последовательно намагничивание осуществляется токами равной величины, но противоположными по направлению!_р (контакты размыкаются). Основным достоинством феридовых реле является возможность удержания в замкнутом состоянии без потребления энергии и возможность управления импульсами, длительность которых (10—15 мкс) меньше необходимого для замыкания герконовых контактов (0,5 мс), так как время изменения намагниченности магнитной системы ферида достаточно мало.

2. Основные характеристики и временные

параметры электромагнитных реле

Движение якоря реле (пружин геркона) происходит под действием силы F, которую называют тяговой. Ее величина зависит от магнитного потока Ф, действующего на якорь (пружины геркона):

F = к₁Ф².

Главная составляющая потока Ф определяется магнитным потоком в воздушном зазоре Ф₀. Величина Ф₀ согласно закону Ома для участка магнитной цепи может быть рассчитана по формуле

Ф₀ = k₂W/ δ

где I — ток в обмотке реле и W — число ее витков, а δ —величина воздушного зазора.

Полагая Ф~Ф₀, получим

F = kI²/ δ

. В приведенных выражениях через к₁, к₂ и к обозначены соответствующие коэффициенты пропорциональности.

Зависимость изменения тяговой силы F от величины воздушного зазора δ при постоянном значении тока в обмотке / называется тяговой характеристикой реле F = f(δ).

Тяговой силе F при перемещении якоря препятствуют механические силы: упругости, трения и др. Зависимость изменения противодействующих сил Q от изменения величины воздушного зазора δ называется механической характеристикой реле. Она индивидуальна для каждого реле и определяется типом реле, видом и количеством контактных групп, величиной δ и др. Тяговая сила F обеспечивается магнитным потоком Фи определяется величиной тока I в обмотке реле.

Граничные значения токов, при которых реле надежно переходит (или не переходит) из одного состояния в другое, называются паспортными токами реле.

Величина тока в обмотке реле, при которой создается магнитный поток, достаточный для обеспе­чения наименьшего тягового усилия, необходимого для срабатывания, называется паспортным током срабатывания I_СР.

Наибольшее значение тока в обмотке, при котором реле отпускает, называется паспортным током отпускания I_ОТ.

Например, реле РПН при δ = 1,5 мм, δ ₀=0,2 мм с одной контактной группой n и двумя np имеет I_СР = 27 и I_ОТ = 3,7 мА. Потребляемая мощность реле при срабатывании в основном зависит от количества установленных контактных элементов и в среднем на один контактный элемент составляет примерно 10—200 мВт.

Для достоверней работы реле требуется некоторый запас надежности по току. Надежность срабатывания реле по току оценивается коэффициентом надежности срабатывания

, а надёжность отпускания - коэффициентом надежности отпускания

где I — значение тока, получаемого обмоткой в рассматриваемой цепи.

Величина этих коэффициентов обычно берется в пределах 1,1—2,5. Ток в цепи электромагнитного реле при ее замыкании и размыкании изменяется не мгновенно, а постепенно, что объясняется влиянием индуктивности обмотки реле. Поэтому реле срабатывает и отпускает через некоторые промежутки времени после замыкания и размыкания его цепи, называемые временем срабатывания- t_СР и временем отпускания t_ОТ реле. Эти промежутки времени складываются из времени трогания и времени движения якоря:

где: t_ТР - время трогания при срабатывании (отпускании), т. е. время, необходимое для нарастания (спадания) тока до значения, по достижении которого якорь или пружины геркона начинают двигаться;

t_ДВ - время движения якоря (или пружины геркона) от момента начала трогания до его остановки

По экспериментальным данным время движения якоря составляет примерно 10—40%, а время движения пружин геркона примерно 50—150% от времени трогания. Таким образом, можно полагать

для реле с открытыми контактами и для герконовых реле.

В ряде случаев в схемах автоматическом коммутации возникает необходимость увеличения времени действия реле. Это может быть достигнуто разными путями. Чаще всего используют конструктивные или схемные замедлители. Конструктивный замедлитель, применяемый на реле с открытыми контактами, - это медная втулка (трубка) или короткозамкнутая обмотка из неизолированной медной проволоки, располагаемые непосредственно на сердечнике реле. Конструктивный замедлитель электромагнитных реле увеличивает t_СР и t_ОТ неодинаково: в 3—5 раз - время срабатывания (до 80 мс) и в 30-40 раз - время отпускания (до 300 мс).

Основные схемные способы увеличения времени действия реле приведены на рис. 4.

Рис.4. Схемные способы увеличения времени действия реле.

В схеме (рис 4а) реле срабатывает при включении двумя обмотками. После срабатывания реле его контакт на замыкание (а) закорачивает вторую обмотку, образуя замедлитель, действующий только в течение времени отпускания. Замедления при срабатывании эта схема не имеет. Если необходимо иметь замедления только на срабатывания, то в цепи второй обмотки используют контакт на размыкание, создающий замедлитель в состоянии покоя и всего промежутка времени срабатывания реле (рис. 4б). Такая схема удлиняет t _СР и не влияет на t _ОТ.

Активное сопротивление r_Ш подключенное параллельно обмотке реле (рис. в) при включении ее через резистор r, оказывает шунтирующее действие. В результате нарастание тока в обмотке реле замедляется, а время t _СР увеличивается. При выключении реле ток, создаваемый ЭДС самоиндукции его обмотки, замыкается через резистор r_Ш что приводит к увеличению времени отпускания t _OT. Увеличение t_ср в схеме (см. рис.4 в) будет тем больше, чем больше r и меньше r_Ш Включение одного резистора r (рис.) при отсутствии резистора r_Ш позволяет замедлить срабатывание, а одного резистора r_Ш - замедлить отпускание реле.

Если необходимо получить значительное увеличение t_СР то параллельно обмотке реле включают конденсатор большой емкости. В первый момент включения схемы (рис.4г) энергия тока расходуется на заряд конденсатора и нарастание тока в обмотке замедляется, что приводит к увеличению t_СР,. При выключении обмотки ток разряда конденсатора препятствует спаданию тока в обмотке реле и время t_ОТ существенно возрастает. Увеличение t_СР, в схеме (рис. г) тем значительнее, чем больше сопротивление резистора r и емкость конденсатора С, а увеличение t_ОТ - чем больше С и меньше r. При отсутствии резистора r схема будет создавать замедление только на отпускание.

3. Электромеханические искатели

3.1 Шаговые искатели.

В коммутационных схемах различного назначения большое распространение получили электро­механические искатели - искатели, в которых коммутация между входом и выходом создается за счет механического контакта скольжения типа «щетка-ламель». Электромеханический искатель имеет три основных части: контактное поле (статор)-совокупность изолированных ламелей, к которым подключается m -проводных выходов искателя; подвижная часть (ротор) - щетки, к которым подключается I -проводный вход искателя; движущий механизм (привод), перемещающий щетки ротора в требуемое положение. По характеру привода различают искатели: шаговые, машинные, моторные и др. Искатели, в которых каждый импульс тока, воздействующий на привод, перемещает его щетки на один шаг (с одной ламели контактного поля на другую), называются шаговыми рис.(5). Кинематическая схема шагового искателя, совершающего одно вращательное движение, приведена на рис. (6.)

Рис 5 Шаговый искатель ШИ-11

1 - цифровой барабан; 2 - стопорная собачка с указателем; 3 - храповик;

4 - движущая собачка; 5 - упор якоря; 6 - токоподводящие щетки;

7 - контактные ламели; 8 - трехлучевые контактные щетки; 9-плоская пружина; 10 -оттягивающая пластина; 11 - корпус электромагнита; 12 - катушка электромагнита;

13 - ось якоря; 14 - якорь; 15 - пластина отлипания.

Рис 6 Кинематическая схема шагового искателя

При поступлении импульса тока в обмотку электромагнита ЭМ якорь Я притягивается к сердечнику и с помощью движущей собачки С, упирающейся в зуб храпового колеса X, перемещает щетки Щ на один шаг. По окончании импульса тока якорь под действием пружины П возвращается в исходное положение. При этом движущая собачка, скользя по скосу зуба храпового колеса, попадает в следующую его впадину. При повторном импульсе якорь вновь притягивается и щетки перейдут на следующую ламель. Таким образом, в зависимости от числа поступивших импульсов щетки переместятся на соответствующее число шагов и подключат вход к соответствующему выходу искателя.

В коммутационной аппаратуре нашли применение шаговые искатели ШИ-11, ШИ-17, ШИ-25. Шаговые искатели ШИ-11, ШИ-17 близки по конструкции и различаются емкостью поля и формой щеток. Контактное поле искателей ШИ-11 и ШИ-17 в зависимости от величины проводности имеет от трех до пяти (/ = 3--5) изолированных друг от друга рядов отдельных пластин — ламелей, расположенных по дуге α=120° (ШИ-11) или 180° (ШИ-17). Поскольку полный поворот щеток за один цикл работы искателя, т. е. при обходе всех m контактов поля одним лучом щеток составляет часть окружности, то искатель ШИ-11 имеет трехлучевые щетки, расположенные через 120°, а ШИ-17 — двухлучевые, расположенные через 180°. Емкость поля искателей составляет: для ШИ-11 m =10 и для ШИ-17 m =15 выходов (линий).