Узлы функциональной электроники - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Введение
Устройства функциональной электроники – это устройства, которые
работают на различных физических явлениях, работа связана с использованием
динамических неоднородностей ( временные дефекты в однородном твердом теле
). Их функционирование описывается уравнениями математической физики.
Любая ЭВС состоит из элементной базы: ИС, устройства функциональной
электроники и электрорадиоэлементы.
Электрорадиоэлементы используются давно и подразделяются на:
V активные ( п/п приборы и электровакуумные );
V пассивные:
V общего применения ( резисторы, конденсаторы и пр.)
V СВЧ устройства ( элементы, размеры которых соизмеримы с длинной
волны обрабатываемого сигнала).
Соединители и коммутационные устройства
Соединители – это устройства, предназначенные для механического
соединения /разъединения электрических цепей в обесточенном состоянии.
Коммутационные устройства – это устройства, предназначенные для
периодического замыкания/размыкания цепей под током.
Соединитель образует разъемное, контактное соединение. Существуют
неразъемные соединения – паяные, сварные и пр.
Коммутационные устройства могут быть с ручным или электрическим
управлением. Коммутационные устройства делятся на:
V контактные – используют механическое соприкосновение двух
контактных деталей;
V бесконтактные – осуществляют коммутацию без механического
соединения/разъединения.
Теория электрического контакта
В контактном устройстве протекает ряд сопутствующих явлений, кроме
электрической проводимости.
После разреза сопротивление проводника увеличивается на некоторое
переходное сопротивление (Rпер ) – одна из основных характеристик контакта
( чем меньше, тем лучше ).
Появление переходного сопротивления объясняется ( Rпер ):
1. Как бы чисто мы не обрабатывали разрез, на нем всегда существуют микро
шероховатость, из-за этого проводник соединяется не по всей поверхности
поперечного сечения:
Sреал.>Sперв.
Площадь контакта меньше реальной площади поперечного сечения.
2. На поверхностях контактирующих деталей появляются пленки. Причины их
возникновения:
V атомарный кислород оседает, образуя пленку;
V за счет соединения O2 и металла – окисные пленки;
Существуют пассивирующие и рыхлые пленки. Рыхлые пленки могут
существенно влиять на Rпер.. Чем больше температура, тем больше
скорость роста пленки, но при достижении некоторой температуры
пленка разрушается.
серебро …………… t пл.=150 (C
алюминий…………tпл.=3000 (С
V осаждение пленки воды – оказывает малое влияние на Rпер., но при
замерзании воды могут возникнуть пленки льда, а это уже
диэлектрик.
V сульфидные пленки – у них большая толщина и плотность.
Наличие пленок затрудняет прохождение электрического тока. В зоне
контакта ток протекает благодаря эклектической проводимости металлов и ещё
благодаря фрикинг-эффекту.
Фрикинг-эффект
Между несоприкасающимися пленками возникает большая напряженность
электрического поля, из-за такой электрической напряженности возникает
пробой, металл расплавляется и возникает электрический контакт.
[pic]
Ток может протекать через пленку и благодаря туннельному эффекту.
3. Эффект стягивания
Удлиняется путь электронов из-за изменения траектории движения,
вызванного разрезом проводника.
Эквивалентная схема контактного устройства
N – количество шероховатостей ( величина случайная, при каждом
соприкосновении N изменяется ).
RV1 – сопротивление шероховатостей;
Rст1 – сопротивление стягивания;
Rпл1 – сопротивление пленки.
В среднем можно считать переходное сопротивление по упрошенной
формуле:
[pic], где
( - удельное сопротивление материала контакта;
. - коэффициент Пуассона ( механическая характеристика );
E – модуль упругости материала;
Q – усилие контактного нажатия;
hв – средняя высота выступа.
Статическая нестабильность переходного сопротивления –
среднеквадратическое отклонение. Характеристикой контактного устройства
является динамическая нестабильность – показывает степень изменения Rпер
при воздействий на контактное устройство внешнего механического воздействия
( вибрация, удар ).
Более сложные физические явления работы наблюдаются в динамическом
режиме работы – при замыкании / размыкании.
При размыкании возможно наблюдение явления дуги и следовательно
расплавление контактов. Возникает из-за высокой ионизации между контактами.
Дуга зависит от:
. материала;
. напряжения и тока;
. чистоты поверхности;
. состава окружающей атмосферы;
. от наличия реактивных элементов в коммутируемой цепи.
Разность потенциалов между контактами это (инд. и (ист.. Из-за дуговой
эрозий очень ухудшается контакт.
Наблюдается явление мостиковой эрозии, возникает при низких
напряжениях между контактами. При размыкании уменьшается число точек
соприкосновения и увеличивается плотность тока, металл оплавляется и
вытягивается, и, следовательно, контакт разрушается.
Электрические соединители.
Классификация по виду соединяемых частей:
1группа: - низковольтные, НЧ- предназначены для работы на Uh< 1500 В и f<3
МГц, длительность фронта < 0,1 мс.
2группа: - соединители с напряжением более 1,5 кВ.
3группа: - ВЧ- соединители, для соединения различных частей.
4группа: - комбинированные соединители, контакты НЧ – и ВЧ - типа.
По конструкционной особенности и форме изолятора, соединители различают:
- Цилиндрические (форма сечения близка к кругу);
- Прямоугольные;
Цилиндрические соединители делятся по способу сочленения и фиксации
сочлененного соединения:
- резьбовые;
- врубные;
- самозапирающиеся;
- байнетные;
Прямоугольные делятся по способу монтажа:
- приборные;
- для печатного монтажа;
1. Приборные соединители
- межблочные
- блочные
- кабельные
- проходные
2. Соединители для печатного монтажа
- торцевые
- навесные
Все соединители делятся по габаритам.
1 – Соединители нормальных габаритов( шаг H между контактами больше 5
мм.).
2 – Соединители малогабаритные.(3,5 < H < 5 мм).
3 – Соединители субминиатюрные.(1,75 < H < 3,5 мм).
4 – Соединители миниатюрные.(1,25 < H < 1,75 мм).
5 – Соединители микроминиатюрные.(H=1,112).
6 – Соединители супермикроминиатюрные.(H=0,625).
Все соединители , по принципу контактирования, делятся на:
- соединители c обычным контактом
- униполярные соединители
- соединители с опаевыми контактами
- соединители с принудительным обжатием контактов
Некоторые условно графические обозначения.
1. Штырь –
в ВЧ-Соединителе –
2. Гнездо –
в ВЧ - Соединителе –
при соединении с коаксиальным кабелем –
3. Неразъемное соединение –
4. Токосъем –
или
5. Для того чтобы показать, что гнезда принадлежат, к одному соединителю
делают так:
А) Б) X1.1
X1.2
X1.3
6. Соединение –
Все соединители обозначаются буквой X.
XS – Гнездо
XP – Штырь
XW- ВЧ- соединитель.
Система обозначений
(ГОСТ- 17468-76)
Обозначение низкочастотного соединителя состоит из последовательности букв
и цифр.
Первый блок состоит из трех букв.
1. Первая буква в обозначении означает:
О – общего применения.
Вторая буква обозначает
Н – низкочастотный, низковольтный или К – комбинированный.
Третья буква обозначает
Ц – цилиндрический либо П – прямоугольный
Если последние буквы строчные ц или п , то этот соединитель предназначен
для печатного монтажа.
Следующий блок состоит из двух букв.
2. Первая буква определяет тип соединителя:
Б – байнетного типа;
Р – резьбового;
В – врубного;
С – самозапирающийся;
П – с принудительным обжатием контактов;
Вторая буква определяет габарит соединителя:
Н - соединители нормальных габаритов;
Г – соединители малогабаритные;
С – соединители субминиатюрные;
М – соединители миниатюрные;
К – соединители микроминиатюрные;
3. Число – порядковый номер разработки.
4. Число - количество контактов у соединителя.
5. Размер соединителя
- для прямоугольного соединителя размер обозначается так: A*B (например
45*20).
- для цилиндрического: А – это диаметр ( например 25).
Шестым блоком в обозначении идет буква.
6. В – вилка;
Р – розетка;
Г – гибрид;
У – униполярный;
7. Далее идет номер типа конструкции.
Рассмотрим пример обозначения соединителя.
ОНп – ВГ – 7 – 48/94*15 – В – 53
или
ОНц – БГ – 2 – 45/39 – Р – 11
Для ВЧ – Соединителя существуют свои обозначения.
1. Буквы СР или СРГ- соединитель радиочастотный.
2. Далее идет цифра , которая обозначает волновое сопротивление
соединителя.
Например 50 или 75.
3. Третьим стоит номер разработки.
От 1 до 100 – байнетного типа;
от 101 до 500 – резьбового;
от 501 до 700 – врубного;
Вид изоляционного материала:
П – полиэтилен;
С – полистирол;
К – керамика;
Ф – фторопласт;
Пример обозначения ВЧ- соединителя: СР – 75 – 110Ф.
Основные параметры соединителей.
1. Контактное сопротивление – R к (5-15 мОм).
R к = Rпер + Rмк:
где Rпер – переходное сопротивление.
Rмк – сопротивление металлических контактов.
2. Статическая нестабильность ?Rст.
3. Динамическая нестабильность ?Rдин.
4. Максимальный рабочий ток (величина тока определяется температурным
режимом).
5. Максимальное рабочее напряжение (которое может действовать между любыми
контактами и корпусом).
6. Минимальное рабочее напряжение.
7. Сопротивление изоляции (определяется электропроводностью изолятора).
8. Усилие расчленения Fp.
Fp = n*Fpi + Fp k;
Fpi = Fтр = Kтр*Q;
9. Износостойкость (максимальное число сочленений/расчленения).
Конструктивные характеристики соединителей.
Любой соединитель включает в себя следующие конструктивные элементы.
а) Контактный узел.
б) Изолятор.
в) Корпусные детали.
. Контактный узел – это основной функциональный элемент соединителя(состоит
из штыря и гнезда).В свою очередь гнездо и штырь состоят из:
- Рабочий элемент (выполняет функцию электрического соединения и
создания механического давления)
Различают рабочий элемент – с совмещенными электрическими и упругими
парами (за счет использования цилиндрического разрезного штыря и гнезда).
Рабочий элемент – с разделенными электрическими и упругими
элементами.
Рабочий элемент – с контактной парой с гиперболоидным гнездом.
- Элемент крепления (выполняет функцию электрической изоляции и крепления
контактного узла). Различают:
- жесткое крепление (крепление армированием);
- плавающее крепление;
- Хвостовик – предназначен для крепления проводника.
Материалы контактного узла:
1. Упругие части – бронза;
2. Неупругие части – латунь (ковар);
. Изолятор – предназначен для крепления контактного узла, электрической
изоляции, передачи механического усилия при сочленении/расчленении.
Материал изолятора – пластмассы, керамика, стекло.
. Корпусные детали – предназначены для крепления изолятора, защита
соединителя от механических повреждений и воздействия окружающей среды.
Обеспечивает взаимную ориентацию ответных частей при сочленении.
Фиксация при сочлененном положении. Крепление жгута или кабеля,
крепление соединителя к стенке блока, экранирование.
Корпусные детали изготавливают из следующих материалов:
- сталь;
- цветные металлы и сплавы;
- пластмассы;
Коммутационные устройства.
Коммутационным устройством можно считать устройство, которое может
скачкообразно изменять свои выходные характеристики при пороговом значении
входного параметра, независимо от закона его предшествующего изменения.
Y – выходная характеристика;
X – входной параметр.
Где:
Xср. – значение срабатывания – значение входного сигнала, при
котором происходит скачкообразное изменение выходного параметра ( пороговое
значение );
Xотп. – значение отпускания – значение входного сигнала, при котором
происходит скачкообразное изменение выходного параметра ( пороговое
значение ) ;
Xдоп. – допустимое значение входного параметра, превышение которого
может привести к выходу из строя устройства.
Релейная характеристика.
Коммутационное устройство может находиться в двух состояниях: исходном
и рабочем.
Значение выходного параметра, при происходит переход из исходного
состояния в рабочее - Xср., а обратный переход происходит при - Xотп. .
Любое коммутационное устройство состоит из:
В коммутационных устройствах происходит преобразование одного вида
энергии в другой.
Классификация коммутационных устройств:
V по типу управляющего сигнала:
электрическое управыление;
механическое ( ручное ) управление.
V по принципу коммутации:
контактные;
бесконтактные.
V по принципу действия:
контактного типа:
механические;
электромагнитные;
магнитоуправляемые;
магнитогидродинамические;
электростатические;
электротепловые;
электромагнитнострикционные
бесконтактного типа:
электронные;
магнитные;
гальваномагнитные;
оптоэлектронные;электретные;
пьезоэлектрические;
криотронные;
халькогенидные;
оптические.
Коммутационные устройства с механическим управлением.
Коммутационные устройства с механическим управлением, или иначе
переключатели. В зависимости от способа управления приводом все
переключатели делятся:
V нажимные ( кнопочные );
V перекидные ( тумблер );
V поворотные (галетные );
V движковые;
V сенсорные.
Первые 4-е типа могут быть контактные и бесконтактные, сенсорные как
правило бесконтактные. Контактные переключатели в от формы контактов
делятся на переключатели:
V с накладными контактами;
V с скользящими контактами.
Накладные контакты.
Конструкции.
Функции соединения и разрыва электрической цепи пространственно
совпадают, для улучшения качества переключателей используют притирающиеся
контакты.
Притирающиеся это когда точки контакта и протекания тока различны.
Скользящие контакты.
Функции соединения и разрыва пространственно разнесены. Но
увеличиваются усилия для контакта, т.е. происходит интенсивное зачищение
контакта.
Основные параметры:
1. Контактное сопротивление – R к.
2. Статическая нестабильность контактного сопротивления – (R ст.
3. Динамическая нестабильность контактного сопротивления – (R дин.
4. Максимальное рабочее напряжение – U max
5. Сопротивление изоляции – R из.
6. Коммутируемая мощность – P к.
7. Коммутируемая напряжение –U к.
8. Коммутируемая токи – I к.
9. Износостойкость.
На высоких частотах работы переключателя появляются паразитные
параметры.
Эквивалентная схема коммутационного устройства ( на высоких частотах
).
В замкнутом состоянии.
В разомкнутом состоянии.
где:
L к – индуктивность контакта;
R пер – переходное сопротивление;
R мк – сопротивление металлических контактов;
C кз – емкость контакт-земля;
R из – сопротивление изоляции;
C к – емкость контакта.
Система обозначений.
1. В, П – выключатель или переключатель.
2. Кн, Т, Г, П, Д – кнопочный, тумблер, галетный,
программируемые переключатели, движковые.
3. Б – бесконтактный, если нет обозначения – контактный.
4. N ( цифра ) – порядковый номер разработки.ъ
5. N ( цифра ) – номер типо-номинала.
6. N ( цифра ) – число полюсов.
Например: ПГ39-3-4
Условно-графические обозначения.
1.Замыкающий контакт
2.Размыкающий контакт
3.Если есть несколько контактов, то общую принадлежность обозначают так:
А).
Буквенное обозначение контактов - S.
SA – выключатели переключатели.
SB – кнопка.
4.Переключатели без фиксации.
5.Контакт с опережением.
с запаздыванием.
6. Контакт повторным нажатием
Нажатие отжатие разными кнопками.
7.Переключатель без фиксации в кайних положениях.
8.Многопозиционный переключатель.
Разновидности переключателей.
- Нажимные (кнопочные) – приводятся в действие нажатием кнопки.Такие
переключатели обеспечивают наибольшую скорость переключения.В качестве
коммутирующего устройства используются микропереключатели(их особеность
мгновенное действие).
- Перекидные (тумблер) –привод выполнен в виде рычага, который
перекидывается (инода на рычаг наносится слой люминофора ).Такие
переключатели имеют один, два, три, не более четырех полюсов.При
переключении имеют два или три положения.
- Поворотные (галетные) – это многопозиционные переключатели.Специальное
условное обозначение таких переключателей:
24П15Н – 24 положения;
- 15 направлений.
Разовидности по форме конструкции.
1.Галетные (контактная группа в виде галеты). 2.Щеточного
типа(особенность – большое усилие
контактонго нажатия, применяется при больших токах).
3.Барабанного типа.
4.Кулачкового типа.
5.Движковые – имеют орган управления в виде движка.
6.Сенсорные – такие переключатели не имеют подвижного контакта.Включаются
пир прикосновении пальца к не которой поверхности.Существуют также
квазисенсорные переключатели которые имеют подвижный контакт , который
замыкается или размыкается – он связан со схемой управления.
Коммутационные устройства с электрическим(дистанционным) управлением .
К коммутационным устройствам с электрическим управлением относятся
различные реле .
Основные параметры реле.
- Чувствительность – это минимальная величина входного параметра X, при
котором происходит скачкообразное изменение выходного сигнала(это может
быть мощность, напряжение, ток).
- Рабочее напряжение(ток) Uраб ,Iраб – они выбираются больше, чем
напряжение или ток срабатывания.
- Коэффициент возврата Кв – это отношение Xотп к Xср .
Максимальное значение для коэффициента возврата равно единице.
Kв= Xотп / Xср
- Сопротивление обмотки Rоб - сопротивление воспринимающей обмотки.
- Время срабатывания(отпускания) tср(tотп) – это время с момента появления
сигнала на входе , до момента срабатывания , соответственно время
отпускания это время отсчитываемое с момента прекращения действия сигнала
на входе , до момента отключения.
- Сопротивление контактов Rк(Rвн) – характеристика выходной цепи (в
замкнутом состоянии).
- Коммутируемая мощность – это произведеие коммутируемого напряжения в
разомкнутом состоянии и коммутируемого тока в замкнутом.
Pk = Uк раз * Iк зам
- Износостойкость – максимальное число циклов коммутации.
Условно- графические обозначения.
1.Реле обозначаются буквой – К.
реле с обмоткой.
- реле макс. тока.
2.Реле переменного тока.
3.Поляризованные реле.
Разновидности реле по принципу действия.
Электромагнитное реле – принцип действия у данного реле следующий,
электрический сигнал подается на катушку и вследствие чего к не
притягивается якорь, он связан с контактной группой.
Различают реле переменного и постоянного тока.
Реле постоянного тока могут быть одно-стабильными( одно устойчивое
состояние) и двустабильными( два устойчивых состояния при отсутствии
напряжения на обмотке).
Одно-стабильные реле могут быть :
нейтральные(срабатывают при любой полярности напряжения);
поляризованные(срабатывают при определенной полярности);
По габаритам реле делятся:
Микроминиатюрные;
Масса m<6 грамм.
1. Миниатюрные;
m <16 грамм.
3. Малогабаритные;
m < 40 грамм.
4.Нормальные габариты;
m > 40 грамм.
Система обозначений.
Обозначение реле делится на несколько блоков:
. Буква Р – реле
. Принцип действия.
Э - электромагнитное;
П – поляризованное;
Г – герконовое;
. Буква
К – низкочастотное;
А – высокочастотное;
. Порядковый номер разработки.
Пример – РЭК- 20.
Преимущества электромагнитного реле:
Большой диапазон коммутируемых токов и напряжений. Малое переходное
сопротивление в замкнутом состоянии. Очень высокое сопротивление между
контактами в разомкнутом состоянии .Хорошие электроизоляционные свойства.
Недостатки:
Малое быстродействие.
Низкая чувствительность, наличие дребезга контактов.
Магнитоуправляемое (герконовое)реле – магнитоуправляемое реле представляет
собой катушку с герконом.
Геркон – балон с вакуумом ( или может быть наполнен спец. газом) с
контактами изготовленными из пермаллоя.Поверхности контактов покрывают
золотом или серебром.
Различают сухие герконы и жидкостные.
Жидкостный геркон -
Недостатки жидкостного геркона:
- нельзя поворачивать геркон на угол больше 300.
- При низких температурах Т<300С ртуть замерзает.
Различают герконы:
- Замыкающие;
- Размыкающие;
- Переключающие;
По габаритам герконы делят:
- Длина баллона 50мм. – стандартные;
- 36мм.- промежуточные;
- 20мм. – миниатюрные;
- 10мм. – сверхминиатюрные;
Герсикон – герметичный силовой контакт. В баллон герсикона вмонтирована
магнитная система, связанная с внешним электромагнитом. У герсиконов
меньшее переходное сопротивление.
Система обозначения герконов.
1. МК – магнитный контакт.
2. А – замыкающий;
В – размыкающий;
С – переключающий;
3. Р – ртутный (если в обозначении геркона эта буква не указана , то геркон
сухой)
4. Длина l геркона в мм.
5. Две цифры (в обозначении могут быть указаны любые две):
1- малой и средней мощности;
2- повышенной мощности;
3- мощный геркон;
4- высоковольтный геркон;
5- высокочастотный;
6- геркон с памятью;
Достоинства магнитоуправляемых реле:
Повышенное быстродействие;
Повышенный срок службы;
Очень малое(стабильное) Rперех – у жидкостных герконов;
Недостатки:
Большее и менее стабильное Rперех - у сухих герконов;
Меньшие возможности по диапазону коммутируемых токов и напряжений;
Чувствительность к внешним магнитным полям;
Магнитодинамические реле.
Принцип действия:
Для переключения реле необходимо воздействовать магнитным полем на
каплю ртути, и из-за тока проходящему по среднему управляющему выводу.
Направление перемещения капли зависит от направления тока или магнитного
поля. Объем ртути должен быть небольшим.
Достоинства:
V очень стабильное и малое R пер.;
V нет ограничений по числу коммутаций.
Недостатки:
V не работает при температуре ниже -35( С;
V гальваническая связь между входной и выходной цепью;
V ограничение по коммутируемой мощности ( зависит от объёма капли
ртути ).
Электростатические реле.
Принцип действия:
Принцип действия основан на использовании кулоновских сил, которые
обеспечивают притяжение подвижного электрода с мембраной к неподвижному.
Достоинства:
V малые габариты;
V высокое быстродействие;
V гальваническая развязка.
Недостатки:
V высокое R пер. ( из плохого контактного нажатия );
V ограничение по коммутируемым мощностям.
Электромагнитострикционные реле
Принцип действия:
Принцип действия основан на явлениях магнито- или
|
