Функциональные электрические схемы и правила выполнения

Функциональные электрические схемы являются важной составляющей проектирования электротехнических устройств. Давайте разберемся, что это такое и как правильно их выполнять.

Понятие и назначение функциональных электрических схем

Функциональная электрическая схема - это схема, разъясняющая определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Такие схемы используются для изучения принципов работы устройств, а также при их наладке, контроле и ремонте.

Основное отличие функциональной схемы от принципиальной или структурной в том, что она не отображает реальное физическое расположение элементов, а фокусируется на функциональных процессах и взаимосвязях в устройстве.

Графическое построение функциональной электрической схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой.

Основными целями и задачами функциональных электрических схем являются:

• Объяснение принципов работы устройства
• Иллюстрация функциональных процессов
• Использование при наладке и ремонте
• Моделирование работы отдельных узлов

Такие схемы применяются на различных этапах разработки:

1. При проектировании - для моделирования работы функциональных узлов
2. На этапе отладки - для настройки параметров
3. При эксплуатации - в целях контроля, диагностики и ремонта

Требования к содержанию и оформлению

К содержанию и оформлению функциональных электрических схем предъявляется ряд общих требований ЕСКД и соответствующих ГОСТов.

На схеме изображаются функциональные части устройства (элементы, узлы, функциональные группы) и связи между ними. Элементы могут быть представлены как в виде условных графических обозначений, так и прямоугольников.

Существует два основных способа изображения:

• Совмещенный - элементы располагаются рядом в соответствии с их фактическим расположением
• Разнесенный - элементы изображаются раздельно для удобства чтения схемы

Функциональная схема может быть выполнена в однолинейном или многолинейном варианте. В первом случае идентичные цепи показываются одной линией.

Для каждого элемента, изображенного прямоугольником, указывается:

• Позиционное обозначение по принципиальной схеме
• Наименование
• Тип или документ, определяющий элемент

Функциональные электрические схемы могут дополняться необходимыми параметрами, характеристиками и пояснениями для более полного понимания работы устройства.

Пример функциональной электрической схемы

Рассмотрим в качестве примера функциональную электрическую схему условного устройства, состоящего из нескольких функциональных узлов. На рисунке 1 представлена схема, выполненная разнесенным способом в многолинейном варианте.

Рисунок 1. Пример функциональной электрической схемы

Устройство работает следующим образом. Напряжение подается на функциональный узел A1, который преобразует его в стабилизированное напряжение необходимых параметров. Далее сигнал поступает в управляющий узел B1, отвечающий за формирование управляющих импульсов.

Функциональный узел A1

Узел A1 выполняет функцию стабилизации и преобразования входного напряжения. Он состоит из следующих основных частей:

• Сглаживающий фильтр Ф1
• Стабилизатор напряжения Ст1
• DC-DC преобразователь П1

Входное напряжение сначала проходит фильтрацию в Ф1, затем стабилизируется в Ст1 и приводится к нужным параметрам в П1. В результате на выходе узла формируется стабильное напряжение заданной величины.

Функциональный узел B1

Узел B1 формирует сигналы управления для других узлов устройства. Основу узла составляет микроконтроллер МК1, который по заданной программе:

1. Генерирует импульсы управления
2. Задает их параметры (длительность, скважность)
3. Передает сигналы на узлы C1 и D1

Таким образом можно гибко изменять режимы работы всего устройства путем программирования МК1.

Функциональный узел C1

Узел C1 выполняет функцию усиления сигналов, поступающих с микроконтроллера. Он усиливает слабые сигналы управления до необходимого уровня мощности для воздействия на исполнительные элементы.

В состав узла C1 входят:

• Усилитель по постоянному току У1
• Усилитель мощности У2
• Согласующий трансформатор Тр1

Сигнал сначала усиливается У1, затем еще больше усиливается У2. Для согласования с нагрузкой используется Тр1. В результате импульсы управления приобретают достаточную мощность.

Функциональный узел D1

Узел D1 предназначен для коммутации мощной нагрузки путем подачи управляющих импульсов.

Основным элементом D1 является транзисторный ключ Кл1, который открывается и закрывается под действием импульсов с узла C1. Также в состав входят:

• Датчик тока ДТ1
• Реле защиты Р1

ДТ1 контролирует ток в нагрузке, а Р1 отключает ее при аварийных режимах. Таким образом осуществляется управление мощной нагрузкой с защитой от перегрузок.

Режимы управления

Задавая различные алгоритмы работы микроконтроллера МК1, можно получить следующие режимы управления нагрузкой:

• Ручной режим (команды оператора)
• Автоматическое управление по заданной программе
• Следящее управление по датчикам

Таким образом, на базе функциональной электрической схемы можно реализовать широкий спектр алгоритмов и режимов работы устройства без изменения аппаратной части.

Достоинства функциональных схем

Функциональные электрические схемы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами:

• Позволяют наглядно представить процессы в устройстве
• Упрощают понимание принципов работы
• Являются удобной основой для моделирования
• Помогают выявить и устранить неисправности

Благодаря тому, что функциональные схемы сосредоточены именно на функциональных процессах, они имеют большое преимущество при необходимости разобраться в работе устройства и взаимодействии его узлов.

Ограничения функциональных схем

При всех достоинствах у функциональных электрических схем есть и некоторые ограничения:

1. Не отображают реального расположения элементов
2. Не дают полное представление о соединениях
3. Требуют наличия принципиальной или структурной схемы

Поэтому для полного понимания устройств и их проектирования функциональные схемы должны рассматриваться в совокупности с другими типами схем.

Перспективы развития

Создание функциональных электрических схем в ближайшем будущем может пойти по пути большей формализации и стандартизации обозначений. Это позволит упростить обмен схемами между разработчиками и инженерами.

Также перспективно применение схем в интерактивном режиме, когда можно будет наглядно проследить работу каждого узла, подавая на входы соответствующие сигналы.