Cодержание
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ПРИМЕНЕНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ 4
1.1. ВИДЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ 4
1.2. ПРИМЕНЕНИЕ 7
2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 9
2. 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ 9
2. 2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ 9
3. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ИХ ОПИСАНИЕ 11
3.1. ПРОЦЕССЫ ПРИ РАЗМЫКАНИИ И ЗАМЫКАНИИ ПРИ НАЛИЧИИ НАПРЯЖЕНИЙ (ТОКОВ) 11
3.2. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ 13
4. РЕМОНТ И ОБСЛУЖИВАНИЕ 15
5. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ 17
5.1. ПАРАМЕТРЫ И ТРЕБОВАНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ 17
5.2. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ КОММУТАТОРОВ 19
6. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРИМЕНЯЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 20
6.1. КОНСТРУКЦИИ КОНТАКТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ И СОЕДИНИТЕЛЕЙ 20
6.2. СВОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ КОММУТАТОРОВ 21
6.3. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ КОНТАКТОВ 21
6.3.1.Неразъемные контакты 22
6.3.2. Разъемные контакты 25
7. ОХРАНА ТРУДА 27
7.1 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕД НАЧАЛОМ РАБОТЫ 27
7.2 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ 28
7.3 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ 32
7.4 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПО ОКОНЧАНИИ РАБОТЫ 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34
Введение
Дальнейшая автоматизация производства, повышение технического уровня, ускоренное развитие средств автоматизации – вот те основные задачи, которые стоят в настоящее время перед наукой и техникой.
Широкое развитие систем автоматического управления промышленным оборудованием в машиностроении связано с использованием богатого арсенала технических средств, среди которых важное место отведено электрическим аппаратам и устройствам.
Если раньше основное применение в машиностроении находили релейно-контактные электрические аппараты и устройства, предназначенные для выполнения простых технологических операций, то теперь ситуация существенно изменилась. Электроавтоматика берёт на себя всё более сложные функции управления, осуществляемые, как правило, на основе бесконтактных устройств. Это значительно повышает надёжность и быстродействие систем управления, уменьшает размеры и массу устройств, позволяет осуществить многие дополнительные функции в системах управления: поиск неисправностей, сигнализацию, связь с центральным диспетчерским пультом, цифровую индикацию состояния элементов оборудования и.т.п. Появились новые элементы автоматики, которые не могли быть успешно реализованы на основе релейно-контактной техники.
Устройства коммутации (коммутационные устройства) и соединители широко используются в электронной аппаратуре (ЭА), в том числе при применении интегральных схем (ИС). Устройства коммутации позволяют быстро (практически мгновенно) коммутировать (включать, выключать) электрические цепи в работающей аппаратуре в результате изменения сопротивления исполнительных элементов под действием управляющих сигналов (или управляющих воздействий). Это дает возможность в процессе функционирования ЭА переключать диапазоны, изменять режимы работы, вводить информацию, перераспределять сигналы по цепям и т. п.
1. Применение коммутационных устройств
Коммутационное устройство — прибор, предназначенный для включения или отключения тока в одной или нескольких электрических цепях. Коммутационное устройство может выполнять одну или обе операции.
1.1. Виды и классификация коммутационных устройств
Механическое коммутационное устройство — коммутационное устройство, предназначенное для замыкания и размыкания одной или нескольких цепей с помощью размыкаемых контактов. Любое механическое коммутационное устройство можно характеризовать в зависимости от среды, в которой размыкаются и замыкаются его контакты, например воздушной, SFG, масляной.
Полупроводниковое коммутационное устройство — коммутационное устройство, созданное для включения и/или отключения тока в электрической цепи в результате воздействия на регулируемую проводимость полупроводника. Полупроводниковый коммутационный прибор рассчитан также на отключение тока.
Плавкий предохранитель — коммутационный аппарат, размыкающий цепь (посредством плавления одного или нескольких своих специально спроектированных и калиброванных элементов), в которую он включен, и отключает ток, когда он превышает заданное значение в течение достаточного времени.
Автоматический выключатель — контактный коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение установленного нормированного времени и отключать токи при указанных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание.
Контактор (контактный) — контактный коммутационный аппарат с единственным положением покоя, с управлением не вручную, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях цепи, включая перегрузку. Термин «с управлением не вручную» означает, что для управления прибором и его работы требуется одно или несколько внешних усилий. Контактор обычно предназначен для частой работы.
Электромагнитный контактор — контактор, в котором сила для замыкания контактов обеспечивается электромагнитом.
Запираемый контактор — контактор, в котором запирающее приспособление не позволяет подвижным элементам вернуться в положение покоя, когда прекращается воздействие на механизм. Запор защелки и его расцепитель могут быть механическим, электромагнитным, пневматическим и т.д. Благодаря запору, запираемый контактор фактически приобретает второе положение покоя и в соответствии с определением контактора, в строгом смысле слова, он не является контактором. Однако поскольку по области применения и конструкции запираемый контактор ближе к контакторам вообще, чем к любым другим коммутационным аппаратам, считают необходимым его соответствие, когда уместно, требованиям к контакторам.
Полупроводниковый контактор — аппарат, который выполняет функции контактора за счет использования полупроводникового коммутационного аппарата. Полупроводниковый контактор может также включать в себя контактные коммутационные аппараты.
Контрольное коммутационное устройство — автоматически управляемое коммутационное устройство, начинающее работать при определенных условиях, выраженных в количественном значении (давление, температура, скорость, уровень жидкости и т.д.).
Нажимная кнопка — аппарат управления, имеющий орган управления, предназначенный для оперирования усилием, создаваемым частью человеческого тела, обычно ладонью или пальцем руки, и имеющий устройство возврата накопленной энергии (пружину).
Аппарат защиты от короткого замыкания (АЗКЗ) — аппарат, предназначенный для защиты цепи или участка цепи от токов короткого замыкания посредством их отключения.
Разрядник для защиты от перенапряжений — устройство, предназначенное для защиты электрооборудования от высоких переходных перенапряжений и ограничения длительности, а часто и амплитуды последующего тока.
Классификация коммутационных устройств
По типу управляющего сигнала:
1 – электрическое управление;
2 – механическое (ручное) управление.
По принципу коммутации:
1 – контактные;
2 – бесконтактные.
По принципу действия:
1 – контактного типа;
2 – механические;
3 – электромагнитные;
4 – магнитоуправляемые;
5 – магнитогидродинамические;
6 – электростатические;
7 – электротепловые;
8 – электромагнитострикционные;
9 – бесконтактного типа;
10 – электронные;
11 – магнитные;
12 – гальваномагнитные;
13 – оптоэлектронные;
14 – электретные;
15 – пьезоэлектрические;
16 – криотронные;
17 – халькогенидные;
18 – оптические.
По способу управления приводом все механические переключатели делятся на:
1 – нажимные (кнопочные);
2 – перекидные (тумблер);
3 – поворотные (галетные);
4 – движковые;
5 – сенсорные.
Коммутационные устройства с электрическим управлением (реле):
1 – электромагнитные;
2 – магнитоуправляемые (герконовые);
3 – магнитодинамические;
4 – электростатические;
5 – электромагнитострикционные;
6 – электротепловые;
7 – электронные;
8 – гальваномагнитные;
9 – электретные;
10 – магнитные;
11 – пьезоэлектрические;
12 – криотронные;
13 – халькогенидные;
14 – оптические.
По типу исполнительной системы оптические реле (оптроны) делятся на:
1 – резисторные;
2 – диодные;
3 – транзисторные;
4 – однопереходные транзисторы;
5 – тиристорные.
1.2. Применение
Управляющее воздействие может осуществляться непосредственно оператором (нажатие кнопки, переключение тумблера и т. д.) — ручное управление. Устройства коммутации с таким управлением находятся на панелях аппаратуры.
Управляющее воздействие может производиться электрическим управляющим сигналом. Устройства коммутации с таким управлением используются тогда, когда пульт управления отделен от аппаратуры, в которой должна осуществляться коммутация, и связан с нею электрически с помощью соединительных линий. При этом первичное управляющее воздействие — это непосредственные действия оператора, которые преобразуются управляющий электрический сигнал, поступающий затем по проводам к исполнительным элементам.
Не меньшее значение имеют такие коммутационные устройства, в которых управляющим воздействием является электрический сигнал при автоматическом управлении аппаратурой. При этом управляющие сигналы вырабатываются в аппаратуре без участия оператора.
В коммутационных устройствах большое значение имеют исполнительные элементы, которые бывают контактные и бесконтактные. Соответственно различают контактные и бесконтактные коммутационные устройства. В контактных используется электрический контакт – соприкосновение тел (контакт-деталей), обеспечивающее непрерывность цепи. В таких коммутационных устройствах (реле, кнопки и т. д.) обычно применяют стыковой контакт, при котором контакт-детали прижимаются друг к другу. Существуют также врубные и вставные контакты, когда контакт-детали перед рабочим состоянием осуществляют боковое или продольное движение в прижатом состоянии с преодолением сил трения (переключатели ручного управления, соединители). Обозначение замыкающего, размыкающего и переключающего контактов коммутационных устройств дано на рис. 1.
Рис. 1. Контакты коммутационных устройств
Контактные исполнительные элементы применяются как при ручном, так и при дистанционном и автоматическом управлении. При ручном управлении это контакт-детали кнопок, тумблеров, переключателей. При дистанционном и автоматическом управлении – это контакт-детали электромагнитных реле и магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов).
В бесконтактных исполнительных элементах используется изменение условий протекания тока в объеме кристалла и его поверхностном слое под влиянием электрических напряжений, освещения и т. п. Такие элементы применяют в основном при дистанционном и автоматическом управлении аппаратурой – это оптроны, транзисторные ключи и коммутаторы. Начали находить применение бесконтактные коммутационные устройства с ручным управлением, например, кнопки с оптронами и магниторезисторами, а также сенсорные.
2. Устройство и принцип действия
2. 1. Принцип действия механических переключателей
По способу управления приводом все механические переключатели делятся на:
1 – нажимные (кнопочные);
2 – перекидные (тумблер);
3 – поворотные (галетные);
4 – движковые;
5 – сенсорные.
Нажимные (кнопочные) – приводятся в действие нажатием кнопки. Такие переключатели обеспечивают наибольшую скорость переключения. В качестве коммутирующего устройства используются микропереключатели (их особенность мгновенное действие).
Перекидные (тумблер) – привод выполнен в виде рычага, который перекидывается (иногда 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.
Движковые – имеют орган управления в виде движка.
Сенсорные – такие переключатели не имеют подвижного контакта. Включаются при прикосновении пальца к некоторой поверхности. Существуют также квазисенсорные переключатели, которые имеют подвижный контакт, который замыкается или размыкается – он связан со схемой управления.
2. 2. Принцип действия оптоэлектронных коммутационных устройств
Оптопары — особый тип бесконтактных коммутационных устройств. Оптопары состоят из источника и приемника излучения (светоизлучателя и фотоприемника) с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно связанных друг с другом. Принцип действия оптопары основан на преобразованиях электрической энергии в световую в излучателе и световой энергии в изменения параметров электрической цепи в фотоприемнике.
По степени сложности их делят на оптопару и оптоэлектронную микросхему. Оптопара состоит из светоизлучающего и фотоприемного элементов. Если в оптопаре в качестве фотоприемника используется транзистор, то она называется оптоэлектронным прибором. Оптоэлектронная микросхема состоит обычно из одной или нескольких оптопар и одного или нескольких транзисторов. Конструкции оптопар имеют много общего с конструкцией полупроводниковых приборов и микросхем.
Основными характеристиками оптопар являются: сопротивление коммутируемой цепи в открытом и закрытом состояниях; максимальная скорость коммутации или длительность нарастания и спада импульсов; максимальные допустимые напряжения и токи цепей коммутации и управления; сопротивление развязки между управляющей и коммутируемой цепями; проходная, входная и выходная емкости.
Оптопары различаются по принципу функционирования фото-приемника, в котором под воздействием источника излучения происходит коммутация: на светоизлучатель подается управляющее электрическое напряжение (такие коммутационные устройства могут быть единичными, т. е. коммутировать одну цепь, и могут быть созданы в виде микросхем, в которых осуществляется коммутация многих цепей внутри аппаратуры); используются механически двигающиеся детали (при этом имеется в виду, что светоизлучатель включен непрерывно). При этом коммутация осуществляется путем передвижения экрана (рис. 2). При его поднятии коммутируемая цепь замкнута. При введении экрана коммутируемая цепь размыкается .
Рис. 2. Коммутация путем передвижения экрана
3. Схемы включения и их описание
3.1. Процессы при размыкании и замыкании при наличии напряжений (токов)
Наиболее сложные электрические и механические процессы в контактных устройствах возникают в динамическом режиме, когда соединение происходит при наличии токов и напряжений. При малых токах и напряжениях (порядка микровольт и микроампер) влиянием электрических процессов на работу контактного устройства можно пренебречь. Однако, когда коммутируемые токи и напряжения достаточно велики, они оказывают существенное влияние на работу контактных устройств.
Процесс замыкания происходит сравнительно просто. По мере сближения контакт-деталей воздушные промежутки пробиваются напряжением, действующим в цепи. Этот пробой существенно не влияет на работу контактного устройства, кроме случаев коммутации высоких напряжений, так как контакты продолжают сближаться до соприкосновения.
Более сложные процессы происходят при размыкании контакт-деталей, и надежность контактов при частом размыкании ухудшается. При определенном соотношении между током и напряжением при размыкании возникает дуга, сопровождающаяся переносом металла с одной поверхности контакт-детали на другую и его потерей, появлением неровностей на поверхностях контактов и образованием пленок из-за высокой температуры. Это так называемая дуговая эрозия контактов.
Возникновение дуги определяется тем, что при разведении контакт-деталей возникает значительная напряженность электрического поля. В результате происходит образование дуги, которая не исчезает и при дальнейшем раздвижении контактов в результате сильной ионизации. Условия образования дуги зависят от многих факторов: металла контакт-деталей, значений напряжений и токов, состава окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей, наличия емкостей и индуктивностей в электрической цепи. Загрязнение окружающей среды и наличие индуктивностей в цепи облегчают возникновение дуги и ухудшают работу контактного устройства.
Характеристики дугообразования для незагрязнённой окружающей среды, чистых поверхностей и при отсутствии индуктивностей и емкостей в цепи известны. В первом приближении справедливо выражение для условия дугообразования:
где: UД и IД — минимальные значения напряжения и тока дуги;
U и I — напряжение и ток в цепи;
kД —коэффициент, зависящий от скрытой теплоты испарения контактов.
На рис. 3 показаны области образования дуги для некоторых металлов. Обычно UД = 8 ... 25 В, IД = 0,5 ... 1,3 А. Так, например, для серебра UД = 8 В, IД = 0,9 А; для золота UД = 25 В, IД = 0,5 А; для меди UД = 25 В, IД = 1,3 А. Эти значения указывают границы, в пределах которых следует учитывать явление дуговой эрозии.
Рис. 3. Области образования дуг
Если напряжение и ток в цепи меньше UД и IД, то дуга не образуется, когда в цепи нет индуктивности. Если в цепи есть индуктивность, то после резкого изменения тока, связанного с размыканием, на ней создается большое напряжение UК.РАЗМ, которое практически оказывается приложенным к размыкаемому промежутку. Поскольку UК.РАЗМ > UР, то происходит пробой воздушного промежутка между контакт-деталями. Чем больше коммутируемый ток и индуктивность, тем легче возникает дуга.
При малых токах и напряжениях при размыкании не образуется дуги, но происходит мостиковая эрозия. Из-за шероховатости поверхности при размыкании контактов все больше и больше контактных точек перестает контактировать. При этом возрастает переходное сопротивление и падение напряжения на нем, а плотность тока в точках контактирования достигает 1000 А/см2. Мощность, выделяемая в контакте, резко увеличивается и рассеивается в нескольких точках, где металл начинает плавиться. Контактирующие поверхности продолжают расходиться, металл «тянется» до тех пор, пока механически не разрушается. На поверхности остаются «столбики», которые из-за повышенной температуры окисляются. Постепенно поверхность разрушается.
3.2. Схема замещения коммутационных устройств
Для анализа свойств коммутационных устройств (контактных и бесконтактных) удобно пользоваться схемой замещения для замкнутого и разомкнутого состояний. Схема должна содержать как основные элементы, в которых отображается функциональное назначение, так и элементы, определяющие паразитные параметры. На рис.4 приведена схема замещения для замкнутого состояния, на которой LK — общая индуктивность контакта; СКЗ — общая емкость относительно земли; RП — переходное сопротивление; RК-Д — сопротивление контакт-деталей; сумма сопротивлений RП+RК-Д составляет сопротивление контакта RК, которое незначительно отличается от RП.
Рис. 4. Схема замещения для замкнутого состояния
На рис. 5 приведена упрощенная схема замещения для разомкнутого состояния. Здесь С’КЗ и С’’КЗ — емкости относительно земли каждого контакта; RИЗ — сопротивление изоляции; СK— емкость разомкнутых контактов. На высоких частотах в емкостях СКЗ и СК могут происходить заметные потери. Если коммутируемое устройство или соединитель размыкают (соединяют) несколько цепей, то необходимо учитывать паразитные емкости и сопротивления изоляции между разными контактными парами, что на схемах замещения не показано, поскольку для упрощения они даны для одной цепи [2]. В замкнутом состоянии в местах соприкосновения поверхностей возникает контактная ЭДС. На схеме замещения для упрощения она не показана, ее можно представить как источник ЭДС, включенный в цепь.
Все параметры коммутационных устройств и соединителей имеют случайные отклонения и должны рассматриваться как случайные величины. Кроме того, их параметры также случайно изменяются под действием температуры, механических воздействий, влажности и т. п. Важной характеристикой также является способность к длительному функционированию, причем использование λ-характеристик не дает полного представления об этом. При длительном функционировании возникают сложные физические процессы, характеризующиеся случайными изменениями параметров во времени.
Рис. 5. Схема замещения для разомкнутого состояния
4. Ремонт и обслуживание
Перед установкой в аппаратуру коммутационные устройства проверяются на работоспособность. Проверяются надежность фиксации положений, отсутствие заеданий при переводе из одного положения в другое, качество резьбовых соединений, сопротивление контактов и изоляции. Механические свойства проверяются путем многократного (до 10…15 раз) перевода коммутационных устройств из одного положения в другое, производится внешний осмотр на отсутствие вмятин, трещин, повреждения изоляции. Для кнопочных переключателей в «линейку» тщательно проверяется система самовозврата и возврата кнопок в исходное положение.
Электрические качества проверяются омметром. Замкнутый контакт должен показывать малое, близкое к нулю сопротивление; разомкнутый — «разрыв» цепи. При наличии мегомметра проверяется сопротивление изоляции между токоведущими элементами и корпусом. Для подавляющего большинства изделий коммутации это сопротивление должно быть не менее 1000 Мом, а при максимальной температуре — не менее 100 Мом.
При монтаже коммутационных устройств «под гайку» необходимо обязательно использовать элементы, предотвращающие самопроизвольное отвинчивание. Для переключателей значительной длины (поворотные и др.) нужно предусматривать еще одну точку крепления.
Кнопочные, движковые и другие переключатели устанавливаются в специально выполненные прорези, крепятся болтами.
Если на панели расположено несколько однотипных коммутационных изделий, то они должны различаться по форме, размерам, цвету приводных элементов. Начальное положение таких элементов должно быть одинаково ориентированным. Для лучшей ориентации необходимо широко использовать графические обозначения и надписи, указывающие положение, коммутируемые напряжения, диапазон длины волн и др.
Приводные элементы коммутационных устройств (кнопки, ручки тумблеров и переключателей) должны быть изолированы от корпуса, особенно это важно для коммутационных устройств с коммутируемыми напряжениями свыше 36 В.
Монтажные провода должны быть гибкими, многожильными и не иметь натяжения. Для облегчения разводки проводников многоконтактных изделий на изоляционных трубках (кембриках) необходимо делать надписи номеров контактов. С этой целью целесообразно использовать проводники разного цвета.
В процессе работы на аппаратуре с коммутационными устройствами необходимо следить за тем, чтобы условия эксплуатации строго выдерживались. Следует иметь в виду, что повышение относительной влажности в значительной степени понижает сопротивление изоляции (до 1 Мом).
При работе с коммутационными устройствами не допускается искусственное торможение привода, так как это может привести к увеличению времени горения «дуги» и преждевременному износу контактов. Проверка коммутационных устройств под током, особенно с большим числом контактов и малыми расстояниями между ними, производится аккуратно, с соблюдением мер предосторожности от случайных замыканий.
Переключатели, собранные в «линейку», в случае выхода из строя одной ячейки могут быть разобраны и отремонтированы. Сами ячейки коммутационных устройств ремонту не подлежат. Могут быть отремонтированы также и разборчивые поворотные переключатели путем замены галеты.
5. Достоинства и недостатки
5.1. Параметры и требования коммутационных устройств
Разнообразие требований, которые предъявляются к коммутационным устройствам, привело к созданию большого числа их разновидностей, различающихся по функциональному назначению, принципу действия, конструкции, параметрам, техническим возможностям и областям применения.
Основные требования сводятся к снижению затрат энергии (мощности) на управление, улучшению качества коммутации и, соединений, улучшению конструктивно-технологической совместимости с ИС, повышению надежности, быстродействия (для коммутационных устройств) и уменьшению усилий сочленения и расчленения (для соединителей).
Основным параметром контактных и бесконтактных коммутационных устройств как ручного, так и дистанционного и автоматического управления является сопротивление в состоянии контакта, или в замкнутом состоянии (при электрическом контакте) или в открытом состоянии (при использовании бесконтактных коммутационных устройств), а также сопротивление в разомкнутом состоянии.
Характерной особенностью коммутационных устройств является многократное переключение (105 … 108 раз) в процессе функционирования аппаратуры, т. е. при наличии токов и напряжений, что предъявляет высокие требования к износоустойчивости. При многократном замыкании и размыкании в электрических контактах происходит изменение состояния контактирующих поверхностей контакт-деталей и их разрушение. Срок службы коммутационных устройств равен примерно 15–25 лет. Основные требования предъявляются к контактному сопротивлению и его стабильности, контактному нажатию и усилию сочленения (расчленения), максимальным и минимальным токам и напряжениям, паразитным емкостям и сопротивлению изоляции между контактами разных пар. Важными являются также требования по надежности, технологичности, массе и габаритам.
Требования к электрическим и конструкторским параметрам коммутационных устройств разнообразны и часто противоречивы, в связи с чем выпускается много их разновидностей. Обычно коммутационные устройства являются нормализованными и стандартизованными. Это требует от конструктора умения ориентироваться в их многообразии, которое, с одной стороны, дает много возможностей, но с другой стороны, усложняют выбор оптимального варианта устройства для конкретной ЭА. Иногда приходится разрабатывать специальные коммутационные устройства и соединители частного применения. При выборе вида коммутационных устройств конструктору следует иметь в виду их основные особенности, преимущества и недостатки.
Широко распространенные коммутационные устройства имеют ряд принципиальных ограничений и недостатков. Основные недостатки связаны с тем, что контакт в них достигается путем механического соединения контакт-деталей, на которые оказывает влияние много факторов, а также с тем, что в конструкцию таких устройств входит большое число мелких деталей, выполняющих чисто механические функции. При этом возникают трудности при миниатюризации: при соблюдении тех же относительных отклонений в размерах требуются более высокие классы точности механической обработки. Непосредственное изготовление деталей, входящих в эти устройства, может быть автоматизировано, но сборка, формирование устройств в целом сложно поддаются автоматизации и обычно выполняются вручную. Для обеспечения надежного электрического контакта между металлическими деталями необходимо выдерживать жесткие требования к интервалу значений контактных нажатий. Не менее важно качество обработки соединяемых поверхностей и выбор материала, из которого изготовлены контакт-детали.
В связи с этим длительное время велись поиски новых устройств, которые должны выполнять функции коммутации и соединителей в ЭА. Эти поиски привели к созданию нового вида бесконтактных устройств, основанных на принципах оптоэлектроники, когда вместо механических элементов, осуществляющих коммутацию и соединение, используется световой поток и элементы, чувствительные к его наличию и интенсивности. Коммутационные устройства 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 коммутационные устройства на МДП и биполярных транзисторах. В МДП-транзисторах коммутируемая цепь подсоединяется к стоку и истоку, а напряжение, управляющее коммутацией, — к затвору. Такие коммутационные устройства 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 использо-вании технологических процессов микроэлектроники и групповой технологии. 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.
5.2. Достоинства и недостатки оптоэлектронных коммутаторов
Основные достоинства: практически полная электрическая (гальваническая) развязка между входом и выходом; малая проходная емкость; однонаправленность распространения сигналов; широкая полоса пропускания по частоте, возможность коммутировать импульсные сигналы, постоянную составляющую, аналоговые сигналы, цифровые сигналы; конструкторско-технологическая совместимость с полупроводниковыми приборами и микросхемами; высокая помехозащищенность канала, возможность построения сложных разветвленных устройств управления; управление работой оптопары как входным сигналом, так и оптическим каналом.
К недостаткам можно отнести: значительную потребляемую мощность и низкий КПД, так как необходимо двойное преобразование энергии; чувствительность параметров к воздействию повышенной температуры и ядерной радиации; «старение» параметров; высокий уровень собственных шумов; большое контактное сопротивление в открытом состоянии (единицы и сотни Ом), в то время как контактные устройства имеют контактное сопротивление, равное десятым и сотым долям Ом; существенное ограничение коммутируемой мощности, в то время как контактные устройства при соответствующих конструкциях и габаритах могут коммутировать очень большие мощности (1 кВт и больше); существенное ограничение коммутируемого напряжения (известны конструкции контактных переключателей с напряжениями, не достижимыми для оптоэлектронных коммутаторов).
6. Основные свойства применяемых материалов
6.1. Конструкции контактных коммутационных устройств и соединителей
В состав контактного устройства помимо контакт-деталей входит много конструктивных элементов, предназначенных для того, чтобы в совокупности создать законченное в конструктивном и технологическом отношении устройство, способное выполнять определенные функции.
Элементы, создающие нажатие. Для осуществления электрического контакта требуется, чтобы металлические поверхности соприкасались с определенным контактным нажатием. В конструкции должны быть предусмотрены такие элементы, например, пружины различных конструкций. Они определяют основные параметры контактного устройства: контактное сопротивление, его стабильность и надежность.
Изоляционные основания. Контакт-детали должны быть механически укреплены и в то же время электрически изолированы друг от друга так, чтобы было возможно их механическое соединение (контакт) и разъединение. Для этого используются изготовленные из специальных материалов изоляционные основания разных конструкций, в которых осуществляется установка и крепление контакт-деталей. Конструкция и точность изготовления изоляционных оснований могут влиять на значение контактного нажатия и его стабильность, что имеет важное значение для правильного функционирования электрического контакта в течение длительного времени.
Элементы перемещения и фиксации. В контактных устройствах соединение возникает в результате механического перемещения контакт-деталей, что требует создания специальных элементов конструкций, обеспечивающих необходимые пределы и точность перемещения.
Элементы конструкции, обеспечивающие защиту контакт-деталей от воздействия окружающей среды. Работоспособность и характеристики контактного устройства зависят от состояния контактирующих поверхностей, наличия на них пленок и т. д. Окружающая ЭА среда содержит пыль, влагу, различные газы и неизбежно влияет на состояние контактных устройств, их характеристики и свойства.
Элементы крепления. Контактные устройства должны быть механически установлены в конструкции ЭА и электрически соединены с монтажом. Поэтому в их конструкции должны быть предусмотрены элементы крепления и элементы, обеспечивающие включение в электрическую схему.
6.2. Свойства оптоэлектронных коммутаторов
Из ранее сказанного видно, что оптопары можно применять для коммутации электрических цепей с использованием электрического управляющего напряжения (тока), что удобно для дистанционного управления, а также в случаях, когда управление должно производиться автоматически. При таком применении оптопар необходимо иметь в виду, что если не использовать компенсацию, в коммутируемой цепи (кроме резистивной оптопары) будут наблюдаться нелинейные искажения. В этом случае сигналы, несущие информацию, перед коммутацией должны преобразовываться в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) в цифровой код. Поэтому более перспективным является использование оптоэлектронных коммутаторов аналогового сигнала с компенсацией.
Если оптопары использовать в соединителях, то из-за нелинейности их характеристик сигналы также нужно преобразовывать в АЦП в цифровой код.
6.3. Свойства материалов контактов
Контакты, применяемые в электронных устройствах можно разделить по роду работы на: неразъемные, разъемные, скользящие и разрывные.
Неразъемные контакты служат для постоянного соединения электрических элементов схем. К ним относятся паяные, клееные, сварные, зажимные и накрученные контакты. Они отличаются простотой выполнения и при хорошем исполнении обладают малым и стабильным переходным сопротивлением.
Разъемные контакты позволяют осуществлять замену отдельных частей или блоков электронных устройств, характерным для этого типа контактов является неподвижность контактной пары при прохождении тока и то, что расчленение и сочленение контактов происходит при обесточенной цепи.
Скользящие контакты работают без разрыва электрической цепи, за счет изменения своего положения.
Разрывные контакты — это контакты, с помощью которых происходит размыкание и замыкание электрической цепи, находящейся под током. Если переключение производится за счет электромагнита, то такие разрывные контакты называются реле и применяются в маломощных устройствах.
6.3.1.Неразъемные контакты
Цельнометаллические контакты — к этим контактам относятся соединения проводников с помощью пайки и сварки, когда два проводника соединяются механически со сравнительно малым переходным сопротивлением, устойчивым к внешним воздействиям. При выполнении этого соединения нужно иметь в виду, что площадь спая или сварки должна превышать сечение проводника с тем, чтобы падение напряжения на участке контакта не превышало падение напряжения на проводнике. Из опыта известно, что место спая превышает сопротивление в 4-6 раз, следовательно, и сечение спая должно превышать сечение проводника во столько же раз, т.к. если падение напряжения в месте спая будет превышать падение напряжения на проводнике, то оно может перегреваться и приводить к разрушению контакта.
Исходя из этого, рекомендуется следующая длина места спая: при пайке внахлест 2,5⋅d провода, при пайке встык длина муфты из припоя должна быть равной приблизительно 5⋅d провода; толщина припоя вокруг провода примерно
- Войдите, чтобы оставлять комментарии
