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1、機械設計教材電子與感測元件 作作者者：徐徐業業良良( (1 19 99 97 7- -0 07 7) )，修修改改：蔡蔡成成( (2 20 00 01 1- -1 11 1- -2 26 6) )，推推薦薦：徐徐業業良良( (2 20 00 00 0- -1 11 1- -2 29 9) )。 附附註註：本本文文為為元元智智大大機機械械系系大大機機械械設設計計課課程程教教材材，僅僅限限於於教教生生個個使使用用，原原書書初初版版由由全全華華科科技技圖圖書書公公司司行行。 機械設計教材電子與感測元件機械設計教材電子與感測元件 電子技術發展迅速，在機械設計的範疇，“純機械”的設計已經不多了，從機車、
2、汽車、動化設備，到飛機、造衛星，這些產品雖然仍是以“機械”為主體，但無不大量使用電子與感測元件。對於機械設計者來說，電子與感測元件帶來了許多便利，使我們的設計領域更加擴大，許多以機械方式很難達成的功能，運用電子與感測元件都能夠簡單達到，且相對所需要的成本、空間都比較小。 這個單元的重點即在電子元件的認識與應用，希望使讀者了解在作機械設計時哪些電子與感測元件可以運用，並且透過例題和小型實作計畫的設計，培養基本的機電整合設計的能力。本單元還是從機械設計工具應用的角度出發，而不過度專於電子與電路理論，合非電子科系與初者做概論性閱讀。 1. 電子元件電子元件 個電路通常是由各種電子元件、導線、與電源結
3、合而成，電源經過導線提供能量給電子元件，然後將電能轉換成為不同形式的光能與熱能。而本節主要在介紹常見的電子元件及基本運用常識，並藉由範例的說明瞭解其運用方法。 1.1 電阻器 電阻器 在電子世界，任何元件或材料均電阻值，它與電流與電壓的關係可由式(1)的歐歐姆姆定定律律( (O Oh hmm s s L La aw w) )來描述，其 I 是電流，單位通常以安培(A)來表示，V是電壓，單位通常以伏(V)來表示，R 是電阻，單位通常以歐姆()來表示。 IV R?(1) http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 1機械設計教材電子與感測元件 材料電阻值越大時電流也越難通過，例
4、如雲母電阻值很大不易傳導電，相反的屬材料如、銀、銅電阻值小，極容易傳導電流，故常製作成電線或導線來傳輸電。 在電子元件，電阻是最基本也最常使用的元件，價格低廉且用途廣泛。般般電電阻阻器器通通常常是是以以不不同同色色碼碼來來表表示示電電阻阻值值，每種顏色分別表 1 9 不同的數字，如圖 1 所示；電阻器第與第條表位數與個位數值，第條為阻值的倍數值，而最後條則表示製造的電阻值誤差範圍；容許誤差的色碼是以棕色表示 1%誤差，紅色表示 2%誤差等等；例如個電阻器如圖 2，面顏色依序為綠、棕、紅、，依照色碼對應數值，可以得到其阻值為 5.1K2%。 A B C D顏色 A B C 倍數D 容許誤差 bl
5、ack 0 0 100 brown 1 1 101 1% red 2 2 102 2% orange 3 3 103 yellow 4 4 104 green 5 5 105 blue 6 6 106 violet 7 7 107 grey 8 8 108 white 9 9 109 golden 10-1 5% silver 10-2 10% 圖圖 1. 電阻器色碼電阻器色碼 圖圖 2. 5000 歐姆的電阻器歐姆的電阻器 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 2機械設計教材電子與感測元件 除了電阻值外，電電阻阻器器另另外外個個重重要要的的規規格格標標示示是是其其所
6、所能能承承受受的的功功率率大大小小。電阻體積大小，通常來說外型體積大的能承受的功率瓦數也較大，體積小的電阻則只能承受較小電功率，常用的瓦數 1/4W、1/2W、1W等，式(2)可以計算出所需電阻器的功率 P（單位是瓦） 。當選用電阻器的功率 RIP2? (2) 選選擇擇電電阻阻器器時時首首先先要要確確定定你你所所需需要要的的電電阻阻值值是是多多少少，電阻值應該都以為單位，若大於 1000 時，則以 1K來稱，若電阻值為 1106，則以 1M來表示，然後選用電阻器規格表內的阻值。如果無法在電阻器規格表找到符合需求者，可以選擇最接近的，再由電阻值的容許誤差來考慮，也可以以串接或並聯方式來獲得所需的
7、電阻值。如果需要較準確的電阻值，可以選購高精密電阻。 個個步步驟驟就就是是計計算算流流過過電電阻阻的的電電流流大大小小，再再以以式式( (2 2) )求求其其消消耗耗功功率率，依依此此再再乘乘個個安安全全係係數數，求求得得所所需需功功率率。得到電阻、誤差值、功率等規格後，如“0.510%, 3W”，最後依電路性決定所需電阻器種類即可。 電阻器的種類非常多，除了前面介紹的般電阻之外，另外種可調整電阻值的電阻器稱作可可變變電電阻阻( (V Va ar ri ia ab bl le e R Re es si is st to or r, , V VR R) )，如圖 3(a)所示，你可由調整轉軸角度
8、來改變電阻值；更精密點的微調電阻器則須旋轉數圈，才能調整由 0100%電阻值，常運用於精密儀器調校。 光光敏敏電電阻阻( (L Li ig gh ht t D De ep pe en nd de en nt t R Re es si is st to or r, , L LD DR R) )是種感光式電阻器，外形如圖 3(b)所示，當光敏電阻方的光源被遮蔽時，電阻值升或降兩種形式，可以用來設計光感測器，例如小燈、照相機光圈快門的控制等。熱熱敏敏電電阻阻( (T Th he er rmmi is st to or rs s) )則是感受熱訊號的電阻，外形如圖 3(c)所示，如果電阻受所處環境溫度
9、變化，電阻值就會隨之降或升。 轉軸(a)可變電阻可變電阻 (b)光敏電阻光敏電阻 (C)熱敏電阻熱敏電阻 圖圖 3. 各種不同形式的電阻器各種不同形式的電阻器 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 3機械設計教材電子與感測元件 1.2 電門 電門 電門用來控制電路的開與閉，機械式的電門內部是由接點開關、彈簧與切換搖柄所組成，圖 5 為電門內部作動原理示意圖，當搖柄切換側時，電門接點會由彈簧切斷形成開路，若搖柄切換側時，搖柄則將接點壓形成閉路，若多組接點要控制則可以運用相同原理即可。電路圖電門可用簡單的符號來表示，圖 6 為單單軸軸單單切切、單單軸軸雙雙切切、雙雙軸軸單
10、單切切、雙雙軸軸雙雙切切等型式電門表示符號。 OFFON圖圖 4. 電門內部構造示意圖電門內部構造示意圖 單軸雙切單軸單切雙軸單切 雙軸雙切圖圖 5. 電門開關表示符號電門開關表示符號 在電門常可見到“N/C”與“N/O”的標示，如圖 6 所示，首先可看出這個電門符號個接點，其“C CO OMM”表表示示共共接接點點，“N N/ /C C”則則表表示示常常閉閉接接點點( (N No or rmma al ll ly y C Cl lo os se ed d) ) ，與與 C CO OMM 直直保保持持通通路路；而而“N N/ /O O”則則表表示示常常開開接接點點( (N No or rmma
11、 al ll ly y O Op pe en n） 與與 C CO OMM 直直保保持持斷斷路路。在圖彈簧連接著開關，使開關保持向位置，讓 COM 與 N/C 相接；若外力作用於電門時，會使彈簧壓縮並使COM 與 N/O 相通，若外力移除，則會回復成原來位置，這樣的設計是方便使用電門開關者，依照需求選擇切換模式。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 4機械設計教材電子與感測元件 COMN/CN/O力量回復彈簧圖圖 6. N/C 與與 N/O 示意圖示意圖 極極限限開開關關( (L Li immi it t S Sw wi it tc ch h，L LS S) )也是
12、種常見的機械式電門，常用於運動機械檢測動作訊號。極限開關外形與表示符號如圖 7 所示，也 COM、N/C 和 N/O個接腳，當滑片或滾輪被觸碰到時，便會作電門的切換。 滾輪滑片接腳N/ON/C圖圖 7. 極限開關外形與表示符號極限開關外形與表示符號 1.3 繼電器 繼電器 繼繼電電器器( (R Re el la ay y) )也是種電門，但與般開關不同，繼電器並非以機械方式控制，而是是種種以以電電磁磁力力來來控控制制切切換換方方向向的的電電門門。繼電器的基本原理如圖 8 所示，當線圈通電後，會使心的軟鐵核心產生磁性，將橫向的擺臂吸，而臂的側則迫使電門接點相接，使兩接點形成通路。 http:/d
13、esigner.mech.yzu.edu.tw/ 5機械設計教材電子與感測元件 表符號彈簧片電門接點轉軸 軟鐵核心線圈絕緣體圖圖 8. 繼電器原理與表符號繼電器原理與表符號 圖 8 是簡單的單軸單切式繼電器，顆繼電器也可以同時切換多組電門，如圖 9所示是個雙軸雙切的繼電器，它支接腳，排列方式如圖接腳編號。另外繼電器規格除了電門接點數目不同，還要意線圈的工作電壓是直流或是交流電，使用的電壓電流大小，切換電門耐電壓程度等，繼電器的規格 6V、9V、12V、24V、48V、100V、110V、200V、220V等，例如般工業界常用的繼電器接點可以耐電壓電流110VAC-10A，線圈使用電壓為 24V
14、DC，共組或組接點。低電壓的直流繼電器可以直接用電晶體推動，使用極為方便。 106789541694157 8 10圖圖 9. 支接腳繼電器支接腳繼電器 般繼電器規格它並不會說明繼電器需要多少電流可以驅動線圈， 在使用時可以量測線圈內的電阻值，就可以利用歐姆定律換算出耗電流，如果我們量測阻值為150?，線圈驅動電壓 24VDC，耗電流為 24V/150?=0.16A，這樣就可以知道電源供應器需要供應多大的電流，才能使繼電器作動。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 6機械設計教材電子與感測元件 繼電器是相當重要且常見的電子元件，在許多機械控制都相當用，面則以幾個簡單
15、的實例來說明繼電器的應用。 例例題題 1 1 馬馬達達正正反反轉轉控控制制 圖 10 是利用繼電器來控制直流馬達的電路圖。圖 10(a) SW1 為開路，繼電器未充磁，故繼電器電門接點保持向位置，所以馬達順向旋轉；圖 10(b)將 SW1 電門壓，繼電器作動使電門移向的位置，馬達則逆向旋轉。 線圈MSW1馬達(a) 馬達順向旋轉馬達順向旋轉 M馬達SW1線圈(b)馬達逆向旋轉馬達逆向旋轉 圖圖 10. 利用繼電器來控制馬達正反轉電路圖利用繼電器來控制馬達正反轉電路圖 例例題題 2 2 保保電電路路 繼電器最常見的功能是形成保保電電路路或稱記憶電路，圖 11 為保電路的基本原理。步驟(1) SW1 電門未壓時，繼電器還未激磁，內部的接點未開始作動；步驟(2) SW1 電門壓，使得電流由 A 點流過繼電器線圈，並使繼電器內部接點向移，同時電流經由 B 點與繼電器內部接點流過線圈；當 SW1 電門放掉如步驟(3)形成開路後，而電流不再經過 A 點，而由 B 點與繼電器接點迴路繼續提供線圈電源，使它的接點保持不變，所以此時 SW1 開路，並不影響繼電器作動，形成保電路。 htt
