Узлы функциональной электроники
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:
ü активные ( п/п приборы и электровакуумные );
ü пассивные:
ü общего применения ( резисторы, конденсаторы и пр.)
ü 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:
ü контактные – используют механическое соприкосновение двух контактных деталей;
ü 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:
ü атомарный кислород оседает, образуя пленку;
ü 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
ü осаждение пленки воды – оказывает малое влияние на Rпер., но при замерзании воды могут возникнуть пленки льда, а это уже диэлектрик.
ü 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 ).
RV1 – сопротивление шероховатостей;
Rст1– сопротивление стягивания;
Rпл1 – сопротивление пленки.
В среднем можно считать переходное сопротивление по упрошенной формуле:
, где
r - удельное сопротивление материала контакта;
m - 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 eинд. и eист.. 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 DRст.
3. Динамическая нестабильность DRдин.
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:
ü по типу управляющего сигнала:
электрическое управыление;
механическое ( ручное ) управление.
ü по принципу коммутации:
контактные;
бесконтактные.
ü 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:
ü нажимные ( кнопочные );
ü перекидные ( тумблер );
ü поворотные (галетные );
ü движковые;
ü сенсорные.
Первые 4-е типа могут быть контактные и бесконтактные, сенсорные как правило бесконтактные. Контактные переключатели в от формы контактов делятся на переключатели:
ü с накладными контактами;
ü 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 – Rк.
2. Статическая нестабильность контактного сопротивления – DRст.
3. Динамическая нестабильность контактного сопротивления – DRдин.
4. Максимальное рабочее напряжение – Umax
5. Сопротивление изоляции – R из.
6. Коммутируемая мощность – P к.
7. Коммутируемая напряжение –Uк.
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;
Rиз – сопротивление изоляции;
Cк – 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:
| |||||