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:

• активные ( п/п приборы и электровакуумные );

• пассивные:

• общего применения ( резисторы, конденсаторы и пр.)

• 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:

• контактные – используют механическое соприкосновение двух контактных деталей;

• 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 (R_пер ) – одна из основных характеристик контакта ( чем меньше, тем лучше ).

Появление переходного сопротивления объясняется ( R_пер ):

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:

S_реал.>S_перв.

Площадь контакта меньше реальной площади поперечного сечения.

2. На поверхностях контактирующих деталей появляются пленки. Причины их возникновения:

• атомарный кислород оседает, образуя пленку;

• за счет соединения O₂ и металла – окисные пленки;

  Существуют пассивирующие и рыхлые пленки. Рыхлые пленки могут существенно влиять на R_пер.. Чем больше температура, тем больше скорость роста пленки, но при достижении некоторой температуры пленка разрушается.

  серебро …………… t _пл.=150 C

  алюминий…………t_пл.=3000 С

• осаждение пленки воды – оказывает малое влияние на R_пер., но при замерзании воды могут возникнуть пленки льда, а это уже диэлектрик.

• 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.

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 ).

R_V1 – сопротивление шероховатостей;

R_ст1 – сопротивление стягивания;

R_пл1 – сопротивление пленки.

В среднем можно считать переходное сопротивление по упрошенной формуле:

, где

 - удельное сопротивление материала контакта;

• - коэффициент Пуассона ( механическая характеристика );

E – модуль упругости материала;

Q – усилие контактного нажатия;

h_в – средняя высота выступа.

Статическая нестабильность переходного сопротивления – среднеквадратическое отклонение. Характеристикой контактного устройства является динамическая нестабильность – показывает степень изменения R_пер 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 U_h< 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 = R_пер + R_мк:

где R_пер – переходное сопротивление.

R_мк – 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 F_p.

F_p = n*F_pⁱ + F_p ^k;

F_pⁱ = 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:

X_ср. – значение срабатывания – значение входного сигнала, при котором происходит скачкообразное изменение выходного параметра ( пороговое значение );

X_отп. – значение отпускания – значение входного сигнала, при котором происходит скачкообразное изменение выходного параметра ( пороговое значение ) ;

X_доп. – 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 - X_ср., а обратный переход происходит при - X_отп. .

Любое коммутационное устройство состоит из:

В
коммутационных устройствах происходит преобразование одного вида энергии в другой.

К
лассификация коммутационных устройств:

• по типу управляющего сигнала:

  электрическое управыление;

  механическое ( ручное ) управление.

• по принципу коммутации:

  контактные;

  бесконтактные.

• 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:

• нажимные ( кнопочные );

• перекидные ( тумблер );

• поворотные (галетные );

• движковые;

• сенсорные.

Первые 4-е типа могут быть контактные и бесконтактные, сенсорные как правило бесконтактные. Контактные переключатели в от формы контактов делятся на переключатели:

• с накладными контактами;

• 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.

С
истема 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:

Б) Позиционные обозначения

В) Штриховая линия

А).

S1.1

S1.2

Буквенное обозначение контактов - S.

SA – выключатели переключатели.

SB – кнопка.

4.Переключатели без фиксации.

5.Контакт с опережением.

с запаздыванием.

6. Контакт повторным нажатием