Коммутационные устройства (КУ)

Коммутационные устройства (КУ)

Лекция 9

1. Определения (Введение)

Коммутационные устройства (КУ) представляют собой изделия, используемые при разработке электронно-вычислительных средств (ЭВС), обладающие свойством замыкать (размыкать) электрические цепи за счет изменения электрического сопротивления. В замкнутом состоянии электрическая цепь КУ имеют очень малое сопротивление (близкое к нулю), в разомкнутом - большое (десятки - сотни МОм).

Устройства коммутации позволяют быстро (практически мгновенно) коммутировать (включать, выключать, переключать) электрические цепи в работающей аппаратуре (находящейся во включенном состоянии, под напряжением) в результате изменения сопротивления исполнительных элементов под действием управляющих сигналов (или управляющих воздействий). Это дает возможность в процессе функционирования ЭВС переключать диапазоны, изменять режимы работы, вводить информацию, перераспределять сигналы по цепям и т.д.

Электрический соединитель - электрическое устройство, предназначенное для механического соединения и разъединения электрических цепей, состоящее из двух или более частей (вилки, розетки), образующих разъемное контактное соединение. Соединители (контактные соединения) предназначены только для проведения электрического тока и не предназначены для коммутации электрической цепи.

Управление состоянием соединителя (сочленение и расчленение или замыкание и размыкание) осуществляется оператором в аппаратуре в нерабочем состоянии.

 

Классификация

Классификация соединителей

Контактные соединения могут быть:

- разъемные;

- разборные (под винт);

- неразборные (пайка, сварка).

В последующем будем рассматривать только разъемные соединения. Обычно соединители являются контактными, т.е. в них используется электрический контакт.

Различают приборно-кабельные, приборные и кабельные соединители.

Часто возникает необходимость разделения аппаратуры на конструктивно самостоятельные устройства (приборы), выполняющие частные функции и не являющиеся самостоятельными в эксплуатационном отношении. Например, самолетная аппаратура часто требует ее разделения на несколько частей: пульт управления, антенна, приемнопередающее устройство, устройство обработки информации (специализированная ЭВМ), индикатор и т.д., каждая из которых конструктивно закончена и размещается в разных местах на борту самолета, причем все части работают совместно и должны быть электрически связаны. Для этого используют приборно-кабельные соединители, которые обеспечивают совместную работу отдельных частей аппаратуры. При функционировании аппаратуры они не подвергаются сочленению (замыканию) и расчленению (размыканию).

С внедрением интегральных микросхем и применением функционально-узлового метода конструирования большое значение приобрели приборные соединители, используемые внутри аппаратуры (приборов). Их использование позволяет значительно облегчить проектирование, производство и ремонт аппаратуры. При этом аппаратура собирается из печатных плат (модулей), на которые устанавливаются интегральные схемы, дискретные электрорадиоэлементы и устройства функциональной электроники. В этих платах имеются соединители, через которые платы включаются в аппаратуру. Применение их обусловлено только конструкцией, но не схемой.

Кабельные соединители позволяют соединять между собой отдельные части кабеля при необходимости его деления на эти отдельные части кабели.

Рассмотренная классификация КУиС приведена на рис.2

Классификация контактных кнопочных, в том числе герконовых, выключателей (переключателей) и кнопочных постов управления общего назначения на переменное напряжение до 660 В и постоянное напряжение до 440 В, предназначенных для применения в электрических цепях управления, сигнализации и контроля приведена в приложении 1.

 

Рис.2. Классификация КУ и соединителей.

Лекция 10

И соединителям

Разнообразие требований, которые предъявляются к КУиС, привело к созданию большого числа их разновидностей, различающихся по функциональному назначению, принципу действия, конструкции, параметрам, техническим возможностям и областям применения.

Характерной особенностью КУ является многократное переключение (10⁵-10⁸) в процессе функционирования аппаратуры в течение срока службы (примерно 15-25 лет), т.е. при наличии токов и напряжений. При многократном замыкании и размыкании в электрических контактах происходит изменение состояния контактирующих поверхностей контакт-деталей и их разрушение, что предъявляет высокие требования к износоустойчивости контакт-деталей и других конструктивных элементов.

Соединители механически соединяют и разъединяют электрические цепи в течение срока службы сравнительно небольшое число раз (100-500) и в неработающей (отключенной от сети, обесточенной) аппаратуре. Это снижает требования к износоустойчивости контакт-деталей и позволяет выполнять их покрытие материалами с малым удельным сопротивлением.

Основными требованиями для КУиС являются:

- улучшение качества коммутации и соединения;

- повышение надежности;

- улучшение технологичности;

- улучшение конструктивно-технологической совместимости с интегральными микросхемами;

- уменьшение массо-габаритных показателей.

Дополнительно для КУ к основным требованиям относятся:

- снижение затрат энергии (мощности) на управление;

- повышение быстродействия.

Дополнительно для соединителей к основным требованиям относятся:

- уменьшение усилий сочленения и расчленения.

Широко распространенные контактные КУиС имеют ряд принципиальных огра­ничений и недостатков:

- механическое соединение контакт-деталей;

- наличие мелких деталей, выполняющих чисто механические функции, что затрудняет миниатюризацию, т.к. при соблюдении тех же отношений в размерах требуются более высокие классы точности механической обработки;

- жесткие требования к интервалу значений контактных нажатий для обеспечения надежного электрического контакта между металлическими контактами.

Основная трудность при конструировании контактных устройств является противоречие между требованиями уменьшения габаритов и повышения надежности, с одной стороны, и повышения требований к точности изготовления деталей конструкции и точности соблюдения параметров материалов с другой. Не менее важно качество обработки соединяемых поверхностей и выбор материала, из которого изготовлены контакт-детали.

Рассмотрим противоречия на примере пружин. Для увеличения контактного нажатия, казалось бы, следует использовать короткие и толстые пружины, т.е. жесткие пружины - при этом уменьшаются габариты конструкции. Это в случае, если деформация и ход пружины выполнены абсолютно точно. Реально эта величина непостоянна и имеет большие отклонения, обусловленные неточностью выполнения деталей и отклонениями начальной деформации пружины. Тогда усилия будут иметь тем меньше разброс, чем тоньше и длиннее пружина. Это и определяет на практике тенденцию к увеличению размеров пружины, которые и являются одним из основных факторов, тормозящих миниатюризацию контактных устройств. Следует отметить, что из-за отклонений хода может быть превышен предел упругости. Поэтому большое значение имеет выбор материалов с широкой зоной (областью) упругой деформации. Для малогабаритных контактных устройств рекомендуется использовать высококачественные пружины из бронзы.

И соединителей

Требования к электрическим параметрам КУиС разнообразны и часто противоречивы. Они во многом зависят от условий, при которых будет использоваться КУиС. Так, например, КУ, работающие на высоких частотах, должны иметь минимальные паразитные индуктивности и емкости, кроме того, должно быть обеспечено согласование по волновому сопротивлению.

Основными параметрами контактных и бесконтактных КУиС как ручного, так и дистанционного или автоматического управления являются:

- сопротивление в замкнутом состоянии (при электрическом контакте) или в открытом состоянии (при использовании бесконтактных КУ и соединителей);

- сопротивление в разомкнутом состоянии;

- минимальный и максимальный протекающий ток в замкнутом (открытом) состоянии;

- сопротивление изоляции.

Для КУ к основным параметрам относится также коммутируемое напряжение (напряжение между контакт-деталями в разомкнутом состоянии).

Для соединителей к основным параметрам относится также сопротивления изоляции между контактами разных пар.

При протекании как постоянных, так и переменных токов может оговариваться контактный шум и контактное сопротивление при наличии внешних воздействий. В ряде случаев предъявляется требование сохранения работоспособности при малых токах и напряжениях.

Лекция 11

Лекция 12

Влияние внешних воздействий

На качество контакта влияют следующие факторы:

- физико-химическое состояние контактирующих поверхностей, т.е. наличие пленок, затрудняющих металлический контакт, и неровность поверхностей;

- процессы, происходящие при соединении и разъединении, которые могут быть вызваны чисто механическими причинами;

- величина протекающего тока и количество выделяющегося тепла;

- процессы, происходящие в контакте при замыкании и размыкании при наличии токов и напряжений.

Рассмотрим подробнее действие этих факторов. Из-за наличия в окружающей среде кислорода, паров воды, различных примесей и при повышении температуры на поверхности металлов протекают электрохимические процессы и образуются пленки, свойства которых зависят от металла контакт-деталей.

Самыми распространенными элементами окружающей среды являются кислород и азот. Кислород очень быстро адсорбируется на поверхности любого металла, образуя тонкую одноатомную пленку, " сцепленную" с атомами металла. Атомы благородных металлов (золота, платины и др.) в обычных условиях химически не соединяются с кислородом. У других металлов, например, у серебра, в зависимости от температуры с той или иной скоростью происходит газовая коррозия и образуется пленка, чаще всего оксидная, препятствующая дальней­шему проникновению кислорода вглубь металла и останавливающая процесс коррозии. Такие пленки обладают высоким сопротивлением и называются пассивирующими. Во многих случаях они не мешают прохождению тока, так как являются очень тонкими. У вставных и врубных контактных устройств в процессе соединения эта пленка разрушается.

У ряда металлов, например, алюминия и меди, образуются рыхлые пленки, не препятствующие проникновению кислорода вглубь металла и являющиеся многомолекулярными. Они называются пленками потускнения или пленками побежалости. Их толщина может увеличиваться со временем в зависимости от температуры.

Повышение температуры способствует образованию пленок, однако, при достижении определенного её уровня может произойти их разрушение. Например, на серебре при температуре 150-200 °С пленка легко диссоциируется (разлагается). Этим и обусловлена возможность пайки по серебру без флюса и её высокое качество. На некоторых металлах пленки очень теплостойкие, например на алюминии пленка разрушается при температуре 3000 °С. Этим объясняются трудности пайки алюминия даже при использовании флюсов.

Пленки могут обладать разной, в зависимости от металла, механической прочностью. Они могут быть механически прочными, но хрупкими на изгиб (например, у алюминия) или эластичными (например, у меди). Это имеет большое значение для работы КУиС, так как определяет условия, при которых происходит разрушение пленок при соединении.

Часто в окружающей среде содержатся газообразные фракции сернистых соединений, что приводит к образованию сульфидных пленок, отличающихся большой толщиной и прочностью. Пленки могут осаждаться на поверхности в связи с испарением органических соединений и диэлектриков, находящихся рядом с контактным устройством.

Из-за наличия паров воды в окружающей среде происходит электрогальваническая коррозия и образуются коррозионные пленки. Кроме того, при попадании охлажденной аппаратуры в среду с повышенной температурой происходит конденсация паров воды на поверхности контактов и образование " ледяных" пленок. Эти пленки являются механически прочными и их трудно разрушить при соединении контактов, что является причиной резкого недолговременного снижения надежности коммутационных устройств на время, пока аппаратура не «прогреется» и пленки не испарятся.

Основными механическими причинами, влияющими на качество контактирования, являются износ контакт-деталей, «усталость» материала элементов, создающих нажатие, и «разрегулировка». Износ контакт-деталей происходит в результате выработки их поверхности из-за трения и «усталости» поверхностных слоев. Если для защиты контактных поверхностей от пленок контакт-детали в соединителях, рассчитанных на малое число соединений, покрываются коррозионно-стойкими металлами (серебро, золото, платина), то при многократном переключении контакт-деталей это покрытие разрушается. Износ может быть абразивным, когда между трущимися контакт-деталями или другими элементами конструкции попадают разрушенные частицы «мостиков», возникающие при мостиковой эрозии, или другие инородные частицы, имеющие высокую прочность.

При усталости материала элементов, создающих нажатие, усилие нажатия уменьшается, вследствие чего сопротивление контакта увеличивается. Вследствие усталости материала и механических воздействий (удары, вибрация) возникает явление «разрегулировки», когда при работе элементов перемещения и фиксации нарушаются условия контакта или не происходит соприкосновения контакт-деталей.

Влияние величины протекающего тока и процессов, происходящие в контакте при замыкании и размыкании при наличии токов и напряжений рассмотрены ранее.

Виды отказов

В связи с наличием отклонений в контактном нажатии и изменении состояния поверхности контакт-деталей при эксплуатации КУиС могут наблюдаться отказы следующих видов:

1. Внезапные (поломка).

Для правильно сконструированного и изготовленного изделия они встречаются редко, кроме случаев работы при значительных механических воздействиях.

2. С устойчивым нарушением контакта.

Такие отказы имеет место при значительном уменьшении контактного нажатия, сильной коррозии поверхности контакт-деталей в результате влияния агрессивной среды, при сильно выраженной эрозии и таком нарушении «регулировки» механических элементов перемещения и фиксации, при котором не происходит соприкосновения контакт-деталей.

3. Перемежающиеся.

Перемежающийся отказ – это отказ только при отдельных соединениях (переключениях), когда контактирование нарушается полностью или осуществляются с большим переходным сопротивлением. Этот вид отказа предшествует, как правило, полному (устойчивому) отказу и имеет большое значение, так как даже один отказ на тысячу переключений сказывается на надежности всей аппаратуры.

Можно отметить два характерных случая соотношения между количеством переключений и временем функционирования.

1) длительная работа коммутационного устройства без разъединения. В этом случае отказ происходит из-за образования пленок, усталостных изменений в пружинах. При наличии механических воздействий и изменении температуры имеют место механические деформации и относительное перемещение контакт-деталей, изменяются условия, при которых происходит контакт. В результате он может нарушаться.

2) частое переключение контактных устройств, когда основное влияние на надежность контактирования оказывает износ.

Таким образом, закономерности, характеризующие работу КУиС при длительном функционировании, значительно сложнее, чем для других элементов ЭВС как в отношении вероятности их правильного функционирования, так и продолжительности их работы.

Многие недостатки КУиС контактного типа устранены в бесконтактных КУиС, основанных на принципах оптоэлектроники, когда вместо механических элементов, осуществляющих коммутацию и соединения, используется световой поток и элементы, чувствительные к его наличию и интенсивности. КУиС на основе оптопар не содержат механически изготавливаемых деталей сложной формы и не требуют механической многоэтапной сборки, но им также свойственны определенные ограничения: сопротивление в открытом состоянии у них существенно больше, чем у контактных устройств.

В настоящее время получили также распространение новые бесконтактные КУ на МДП- и биполярных транзисторах. В МДП-транзисторах коммутируемая цепь подсоединяется к стоку и истоку, а напряжение, управляющее коммутацией, к затвору. Такие КУ обладают следующими преимуществами:

- могут быть использованы для коммутации постоянного и переменного тока;

- чрезвычайно компактны (до 1000 коммутационных элементов на 1 мм² в БИС-памяти);

- изготовление их основано на использовании технологических процессов микроэлектроники.

В качестве недостатка можно отметить значительно большее, чем у контактных устройств, сопротивление в открытом состоянии. Такая коммутация цепей нашла широкое применение в телефонных коммутаторах и при коммутации элементов памяти в БИС.

 

Список литературы.

 

1. Рычина, Г.А. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы / Г.А. Рычина, А.В. Зеленский. – М.: Радио и связь, 1989.

2. Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов и др. – Минск: Беларусь, 1994.

3. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база: в 2-х кн. / М.Ю. Масленников и др. – М.: ТОО «Прибор», 1993.

4. Игловский, И.Г. Справочник по слаботочным электрическим реле / И.Г. Игловский, Г.В. Владимиров. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Томас, Р.К. Коммутационные устройства: Справочник / Р.К. Томас.- М.: Радио и связь, 1989.

6. Лярский, В.Ф. Электрические соединители: Справочник / В.Ф. Лярский, О.Б. Мурадян. - М.: Радио и связь, 1988.

7. Леухин, В.Н. Выбор элементной базы по эксплуатационным и конструктивным параметрам: Справ. пособие / В.Н. Леухин. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003.

8. Пестриков, В.М. Уроки радиотехника. Практическое использование современных радиоэлектронных схем и радиокомпонентов: Учебно-справ. пособие / В.М. Пестриков. – СПб.: КОРОНА-принт, 2000.

9. Ярош, А.В. Основы конструирования прецизионных контактных устройств зондового оборудования / А.В. Ярош, С.Е. Карпович // Электронная промышленность. -1991. - № 1-2. – С. 38-39.

10. Дмитриев, В.К. Контактирующие устройства для контроля матриц ЖКЭ / В.К. Дмитриев // Электронная промышленность. -1991. - № 1-2. – С. 58.

11. Ярош, А.В. Увеличение широкополосности контактных устройств для контроля параметров БИС на пластине / А.В. Ярош, В.А. Минченко, В.С. Кононов // Электронная промышленность. -1991. - № 1-2. – С. 58-59.

26. ГОСТ 2.710-81. ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах // Единая система конструкторской документации. Правила выполнения схем: Сборник. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – С. 116-130.

25. ГОСТ 2.755-87. ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения // Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах: Сборник. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – С. 15-35.

15. ГОСТ 2492-84Е Выключатели (переключатели) силовые кнопочные и посты управления кнопочные. Общие технические условия.

16. ГОСТ 12434-93Е. Аппараты коммутационные низковольтные. Общие технические условия.

17. ГОСТ 14312-79. Контакты электрические. Термины и определения // Электротехника. Термины и определения: Сборник. Ч. 1. – М.: Изд-во стандартов, 2005. – С. 3-7.

18. ГОСТ 16022-83. Реле электрические. Термины и определения // Электротехника. Термины и определения: Сборник. Ч. 1. – М.: Изд-во стандартов, 2005. – С. 41-66.

19. ГОСТ 17468-76. Соединители низкочастотные на напряжение до 1500 В и комбинированные. Условные обозначения.

20. ГОСТ 17499-82. Контакты магнитоуправляемые. Термины и определения // Электротехника. Термины и определения: Сборник. Ч. 1. – М.: Изд-во стандартов, 2005. – С. 82-92.

21. ГОСТ 17703-72. Аппараты электрические коммутационные. Основные понятия. Термины и определения // Электротехника. Термины и определения: Сборник. Ч. 2. – М.: Стандартинформ, 2005. – С. 74-78.

22. ГОСТ 18311-80. Изделия электротехнические. Термины и определения // Электротехника. Термины и определения: Сборник. Ч. 1. – М.: Изд-во стандартов, 2005. – С. 93-111.

28. ГОСТ 21962-76. Соединители электрические. Термины и определения // Электроника. Термины и определения: Сборник. Ч. 2. – М.: Стандартинформ, 2005. – С. 171-181.

29. ГОСТ 22719-77. Микровыключатели и микропереключатели. Термины и определения // Электроника. Термины и определения: Сборник. Ч. 2. – М.: Стандартинформ, 2005. – С. 182-188.

30. ГОСТ 52002-2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий // Электротехника. Термины и определения: Сборник. Ч. 1. – М.: Изд-во стандартов, 2005. – С. 231-262.

 

9. Изменение структуры мирового рынка электрических соединителей. Электронная промышленность, N 1-2, 1993.

10. Контактирующие устройства для ИС. Электронная промышленность, N 3, 1993.

Коммутационные устройства (КУ)

Лекция 9

1. Определения (Введение)

Коммутационные устройства (КУ) представляют собой изделия, используемые при разработке электронно-вычислительных средств (ЭВС), обладающие свойством замыкать (размыкать) электрические цепи за счет изменения электрического сопротивления. В замкнутом состоянии электрическая цепь КУ имеют очень малое сопротивление (близкое к нулю), в разомкнутом - большое (десятки - сотни МОм).

Устройства коммутации позволяют быстро (практически мгновенно) коммутировать (включать, выключать, переключать) электрические цепи в работающей аппаратуре (находящейся во включенном состоянии, под напряжением) в результате изменения сопротивления исполнительных элементов под действием управляющих сигналов (или управляющих воздействий). Это дает возможность в процессе функционирования ЭВС переключать диапазоны, изменять режимы работы, вводить информацию, перераспределять сигналы по цепям и т.д.

Электрический соединитель - электрическое устройство, предназначенное для механического соединения и разъединения электрических цепей, состоящее из двух или более частей (вилки, розетки), образующих разъемное контактное соединение. Соединители (контактные соединения) предназначены только для проведения электрического тока и не предназначены для коммутации электрической цепи.

Управление состоянием соединителя (сочленение и расчленение или замыкание и размыкание) осуществляется оператором в аппаратуре в нерабочем состоянии.

 

Классификация

12345Следующая ⇒

Поделиться: