Проектирование высокочастотного переключателя кругового вращения

Введение

Повышение качества выпускаемой продукции, снижение затрат на её производство, повышение срока службы и надёжности выпускаемых изделий, рациональное использование материалов, дальнейшее развитие унификации и нормализации являются основными задачами современной радиоэлектронной промышленности. Это тесно связано с повышением качественных показателей составляющих их электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Поэтому вопросы проектирования и рационального использования этих элементов очень важны для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры.

Практически все исполнительные системы, в том числе и радиоэлектронные, содержат различные элементы коммутации. Их функциональные возможности обусловили широкое применение таких элементов в системах: автоматики и телемеханики; сигнализации; контроля и защиты; распределения электрической энергии; коммутации линий связи и передачи информации; резервирования и сопряжение устройств, работающих на различных принципах действия или энергетических уровнях; дистанционного управления исполнительными устройствами, а так же в системах ручного управления электронных аппаратов (ЭА). С ростом уровня автоматизации и функциональным усложнением ЭА непрерывно возрастает число применяемых коммутационных устройств и возрастает ответственность выполняемых ими функций.

Разнообразие требований, возникающих в процессе проектирования современных ЭА, привело к появлению большого числа разновидностей коммутационных устройств, различающихся по назначению, принципу действия, конструктивному исполнению, схемотехническим параметрам и другим признакам, определяющим их технические возможности и область применения. Развитие каждой разновидности коммутационных устройств отражает непрерывное повышение требований к их эксплуатационным и функциональным параметрам. Общие требования сводятся к снижению энергии, используемой для управления, увеличению быстродействия, улучшению качества коммутации (недопустимость вибрации контактов, формирование импульсов с крутыми фронтом и срезом и т.п.), повышению надёжности, обеспечению конструктивно-параметрической совместимости с другими элементами ЭА.

Одними из самых сложных для проектирования коммутационных устройств являются ВЧ и СВЧ элементы коммутации, что связано с ростом паразитных параметров и нестабильности, обусловленных физическим эффектом протекания переменного тока.

Данный курсовой проект посвящен разработке высокочастотного переключателя, который предназначен для коммутации сигналов частотой до 10 МГц. В ходе выполнения проекта на основе анализа требований технического задания, обзора аналогичных конструкций сформулированы дополнительные требования к будущему изделию и произведен выбор направления проектирования. Произведен расчет переключателя, выполнена эскизная проработка его элементов и разработана общая конструкция изделия. Все принятые конструкторские решения подкреплены соответствующими расчетами.

1. Анализ технического задания

Высокочастотный переключатель предназначен для коммутации сигналов частотой до 10 МГц в стационарных электронных аппаратах и относится к коммутационным устройствам ручного управления.

Согласно техническому заданию переключатель должен обеспечивать замыкание на четыре положения при следующих характеристиках:

-  коммутируемое напряжение до 250 В;

-  коммутируемый ток до 0,15 А;

-  сопротивление изоляции около 1 ГОм;

-  ёмкость между соседними контактами 1 пФ.

Исходя из этих параметров, нужно обеспечить надёжную изоляцию между контактными парами, а также корпусом.

Высокочастотный переключатель предназначен для эксплуатации в радиоизмерительной аппаратуре, то есть в помещениях и на открытом пространстве. Климатическое исполнение переключателя должно соответствовать категории УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, что предполагает следующие нормы воздействий [1]:

- воздействия температуры:

1) предельное верхнее значение +40°С;

2) верхнее значение +35°С;

3) среднее значение +20°С;

4) нижнее значение +10°С;

5) предельное нижнее значение +1°С.

- воздействия относительной влажности при +20°С: 98%,

- атмосферное давление воздуха окружающей среды: 86-104 кПа.

Данные условия эксплуатации не предусматривают необходимости в особых конструктивных мерах по защите изделия от воздействий факторов внешней среды.

Габариты и масса разрабатываемого переключателя должны быть незначительные, что обусловлено не большими рабочими значениями коммутируемых токов и рабочих напряжений.

Запланированная программа выпуска 2000 шт. в год обусловливает изготовление переключателя в условиях мелкосерийного производства. При этом его конструкция должна быть не сложной, выполнена с учетом типовых технологических операций и при ее изготовлении должен быть использован распространенный сортамент конструкционных материалов [2].

Использование при производстве переключателя операций типового технологического процесса изготовления призвано увеличить экономический эффект и снизить себестоимость производства.

2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

Рассмотрим общие тенденции развития и существующие конструктивные решения относительно переключателей с ручным управлением.

Коммутационные устройства ручного управления предназначены для коммутации электрических цепей с помощью ручного привода. В зависимости от способа управления приводным механизмом они подразделяются на следующие группы [2]:

- нажимные (кнопочные);

- перекидные (тумблеры);

- поворотные (галетные и барабанные);

- движковые.

Каждый из способов управления имеет свои преимущества и недостатки. Например, с точки зрения оперативности (быстродействия) и удобства работы оператора предпочтение отдаётся нажимному способу управления. Однако при этом способе управления усложняются устройства надёжной фиксации кнопок в определённых положениях. В настоящее время более или менее чёткая фиксация обеспечивается не более чем в двух положениях, что является недостатком нажимного управления. Кроме того, для индикации фиксированного положения кнопок нужны специальные индикаторы и защита от случайного нажатия.

При перекидном способе управления в тумблерах обеспечивается более надёжная фиксация положения приводного механизма, а индикация состояния определяется положением рычага. Недостатками перекидного способа являются значительные усилия на рычаг для перевода тумблера из одного положения в другое, а также малое число положений (полюсов) при переключении (не более трёх).

Наибольшая многополюсность (множество положений) реализуется при поворотном способе управления. Благодаря особенностям конструкции в поворотных переключателях обеспечивается малое и стабильное сопротивление контактов.

При движковом способе управления надёжная фиксация переключателя обеспечивается в двух положениях. Применяются движковые переключатели в аппаратуре, у которой выступающая часть приводного механизма должна быть малой.

Коммутационные устройства ручного управления бывают, как мгновенного действия, когда скорость их перехода из одного состояния в другое практически не зависит от скорости перемещения привода, так и обычного. К коммутационным устройствам мгновенного действия относятся кнопки и микротумблеры на базе микропереключателей.

В зависимости от степени защищённости от факторов окружающей среды коммутационные устройства ручного управления бывают:

- пылебрызгозащищенные;

- герметические;

- с применением герконов и др.

Для нормальных условий эксплуатации применяются обычные конструктивные меры обеспечения работоспособности.

Коммутационные устройства ручного управления в зависимости от рабочей частоты подразделяются на:

- низкочастотные;

- высокочастотные.

Рабочая частота определяет номенклатуру материалов, использующихся для изготовления переключателей, зазоры и размещение токоведущих элементов в конструкции.

К основным, контролируемым при проектировании, параметрам коммутационных устройств ручного управления относятся [3]:

-  усилие или момент переключения;

-  число положений переключения;

-  способ фиксации;

-  диапазон коммутируемых напряжений;

-  диапазон коммутируемых токов;

-  максимальная коммутируемая мощность;

-  сопротивление электрических контактов;

-  максимальное число переключений;

-  сопротивление изоляции;

-  электрическая прочность изоляции;

-  ёмкость между соседними контактами;

-  диапазон окружающей температуры;

-  диапазон атмосферного давления;

-  вибро- и ударостойкость;

-  габаритные масса и размеры и др.

На основании вышесказанного для проектируемого переключателя в качестве способа управления приводным механизмом выбираем – поворотный. Достоинством поворотных переключателей является их большая коммутационная способность. Она обеспечивается значительным числом положений и направлений переключателя. Число направлений переключателя определяется при повороте на одно положение.

Особенностью поворотных переключателей является скользящий контакт, который обеспечивает более высокую стабильность переходного сопротивления и надёжность коммутации по сравнению с разрывными контактами. Однако, у скользящих контактов активней протекают процессы износа, поэтому, число переключений у поворотных переключателей примерно на порядок меньше, чем у перекидных и кнопочных.

Рассмотрим в качестве аналога разрабатываемого переключателя – конструкцию высокочастотного переключателя МПВ-1, внешний вид которого представлен на рис.1 [4].

1 – замыкатель; 3 – элементы крепления

2 – основной блок; 4 - выводы

Рисунок 1 - Высокочастотный переключатель МПВ-1

Высокочастотный переключатель МПВ-1 рассчитан на переключение цепей переменного тока до 0,25 А на частотах до 15 МГц. Емкость между любым контактом и корпусом не превышает 1пФ, сопротивление изоляции – не менее 100 Мом.

Такие переключатели выпускаются двух видов: с одним замыкателем на 8 положений (одно направление) и двумя замыкателями на 4 положения (два направления). Габаритные размеры переключателя – 22х13х12 мм;

масса – 4 г.

Элементы крепления позволяют установить переключатель МПВ-1, как на печатный модуль, так и на панель ЭА.

Согласно проведенному анализу, в качестве дополнительных требований к конструкции сформулируем следующие требования:

- способ управления приводным механизмом переключателя – поворотный;

- крепление переключателя предусмотреть для панельного монтажа.

Определяем площадь перекрытия контактов, через которую ток подводятся непосредственно к месту контакта и контактное усилие. В случае, когда контакты соприкасаются по поверхности, принимают плотность тока

j = 0,3 А/мм²; удельное давление ρ = 0,5 кгс/мм².

Площадь перекрытия контактов

3. Расчет переключателя