Электрический и конструктивный расчет переключателя

3.1 Электрический и конструктивный расчет переключателя

При проектировании переключателей производят расчет контактов, сопротивления изоляции и ёмкости контактов. Расчет проведем согласно известной методике [5].

, мм², (3.1)

где I_к – значение тока, протекающего через контакт.

 (мм²).

Контактное усилие.

, кгс (3.2)

 (кгс)

Выбираем материал для контактов.

Согласно рекомендациям [5], для изготовления контактов разрабатываемого переключателя подходят следующие материалы [6]:

- бронза бериллиевая БрБ2 ГОСТ 18175-78;

- латунь Л62 ГОСТ 15527-70.

Бронза бериллиевая БрБ2 содержит 1,8-2,2% бериллия, 0,2-0,5% никеля, 0,5% примесей, остальное медь. Обладает хорошими упругими, механическими и антикоррозионными свойствами, более высоким сопротивлением усталости, высокой твёрдостью и электропроводностью по сравнению с другими бронзами, антимагнитна. Применяется для работы в магнитных и электрических полях и в агрессивных средах при нормальной температуре. Латунь Л62 обладает удовлетворительными упругими и механическими свойствами, хорошей электро- и теплопроводностью, повышенной коррозионной стойкостью. Основные характеристики данных материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3.1 – Основные характеристики материалов

Материал контакта	Марка материала	ri, мкОм×мм	Еi, кгс/мм2	ni	bi	К2	Ri, мм	hm i, мм	mi
1	Бронза БрБ2	70	1,25×104	3	5	0,12	0,05	0,001	0,3
2	Латунь Л63	74	1×104	3	5	0,12	0,05	0,001	0,3

Рассчитываем переходное сопротивление

Расчёт активной составляющей переходного сопротивления на высоких частотах производится по формуле

, Ом (3.3)

где f – частота (в нашем случае f = 10 МГц);

 – относительная магнитная проницаемость материала контакта;

D – диаметр кажущейся поверхности;

R – радиус выступов микронеровностей;

h_m – максимальная высота микровыступов;

Е – модуль упругости первого рода;

P_к – контактное усилие;

 –удельное электрическое сопротивление;

 – средняя величина удельного давления на проводящем участке переходной зоны:

, (3.4)

где a – радиус контактной площадки, который находится из уравнений Герца:

; (3.5)

 – максимальное контактное давление в центре контактной зоны (также определяется по уравнениям Герца):

; (3.6)

 – средняя глубина проникновения тока, мм:

; (3.7)

 

с – коэффициент, зависящий от качества обработки поверхности:

(3.8)

где b, K₂, и n – параметры, зависящие от вида обработки контактной поверхности.

При контактировании двух шероховатых поверхностей в формулы (3.3) - (3.8) подставляются приведённые, получаемые по расчету по данным таблицы 3.1, значения n, b, R, E, h_m и К₂, которые определяются следующим образом:

, мкОм∙мм, (3.9)

 (мкОм∙мм)

, (3.10)

 .

, (3.11)

где k₁ – коэффициент зависящий от n₁ и n₂ (k₁=0,05).

.

, мм  (3.12)

 (мм).

, кгс/мм² (3.13)

 (кгс/мм²).

, мм (3.14)

 (мм).

, (3.15)

.

Подставляем полученные данные в исходные формулы:

;

 (мм);

 (кгс/мм²);

 (мм);

 (кгс/мм²).

Подставляем полученные значения в (3.3), находим:

 (Ом).

Определим температуру локального перегрева.

, (3.16)

где r – удельное электрическое сопротивление тела контакта;

l – теплопроводность материала контактов;

R_п – переходное сопротивление;

I – ток проходящий через контакт.

Таблица 3.2 – Исходные данные для теплового расчета

Материал	r, мкОм×мм	I, А	Rп, Ом	λ, Вт/мм∙°С
Бронза БрБ2	70	0,15	3,148∙10-4	0,61∙10-7
Латунь Л63	74	0,15	3,148∙10-4	0,82∙10-7

Оценим температуру локального перегрева для бронзы БрБ2:

 (°С).

Оценим температуру локального перегрева для латуни Л62:

 (°С).

Полученные значения перегрева обеспечивают значительную температурную стабильность контакта, т.е. протекающий ток не вызывает изменение параметров перехода.

Ёмкость между контактными пружинами.

Вычисляем минимально допустимое расстояние b, обеспечивающее заданное сопротивление изоляции между контактными пружинами, которое приведено на рис. 3.1.

Рис 3.1 Cопротивление изоляции между контактными пружинами

, мм (3.17)

где R_из - сопротивление изолятора, R_из = 2,5×10⁹ Ом;

L, l – параметры соединения, L = 7 мм, l = 2 мм;

r_s – удельное поверхностное сопротивление материала изолятора, на котором укреплены контактные пружины, ρ = 10¹².

 (мм).

Определяем ёмкость между контактными пружинами

(3.18)

где ε - диэлектрическая проницаемость материала изолятора, e = 4;

H – толщина изоляции, H = 2 мм.

 (пФ).

Ёмкость переходной зоны вычисляем по следующей формуле:

(3.19)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная;

e₁ – относительная диэлектрическая проницаемость воздушного промежутка между контактными поверхностями;

а_m – наибольшее внедрение:

, мм (3.20)

(мм).

Величина контактного усилия  вычисляется по формуле:

, (3.21)

где  – площадь наружной зоны кажущейся контактной поверхности:

(3.22)

Подставив значения в формулы (3.21) и (3.22), имеем:

 (мм²);

 (кгс).

Найдем величину емкости переходной зоны из (3.19)

(Ф).

Полученное значение емкости меньше заданного по требованиям технического задания.

Рассчитываем усилие, необходимое для перемещения контактов.

, кгс (3.23)

где  - коэффициент, учитывающий колебание жёсткости упругого элемента в зависимости от изменения размеров и модуля упругости,

 = 1;

 - коэффициент, учитывающий влияния погрешности изготовления контактного узла,  = 1;

 - коэффициент погрешности установки контактной пары в приборе (перекосы, непараллельности и т.п.);  = 1,05;

 - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента трения от пыли, грязи, оксидных плёнок и т.п.,  = 1,05;

 - температурный коэффициент,  = 1,3;

N – количество упругих элементов.

Имеем:

 (кгс).

4. Эскизная проработка элемента

Эскиз общего вида разработанного высокочастотного переключателя в разобранном состоянии представлен на рис.4.1.

1 – винты; 4 – шарики;

2 – крышка; 5 – основание;

3 – ручка; 6 – контакты

Рисунок 4.1 – Малогабаритный переключатель кругового вращения

Согласно представленному рисунку 4.1, конструкция спроектированного высокочастотного переключателя состоит из: основания с контактами, поворотной ручки, пружин, шариков и крышки. При сборке ручка, поворотом которой производиться замыкание контактов переключателя, зажимается между основанием и крышкой. Крышка к основанию крепиться непосредственно четырьмя винтами М1.5х6g-6 ГОСТ 17475-80. Фиксация положения переключателя осуществляется в результате западания шарика в позиционное отверстие, выполненное на крышке. При этом необходимое контактное усилие обеспечивается пружинами.

Ручка и основание переключателя выполнены из пресс-порошка марки К‑81‑39 методом прессования. Детали, изготовленные из этого материала,

обладают рядом достоинств: имеют точную форму, приятный внешний вид, почти не требуют механической обработки и обладают достаточно высокими механическими и электроизоляционными свойствами.

Конструкция переключателя технологична, что позволяет организовать ее выпуск в условиях мелкосерийного производства.

Спроектированная конструкция высокочастотного переключателя полностью отвечает требованиям технического задания и современным требованиям к подобного класса функциональным элементам.

Заключение

В курсовом проекте, согласно требованиям технического задания, был спроектирован высокочастотный переключатель кругового вращения, предназначенный для коммутации сигналов частотой до 10 МГц.

В ходе выполнения проекта произведены: выбор конструкционных материалов, необходимые расчеты конструктивных, электрических, механических и тепловых параметров изделия. Конструкция отработана на технологичность с учетом ее предполагаемого выпуска в условиях мелкосерийного производства.

Достоинствами конструкции разработанного переключателя являются – малые габариты, хорошие электрические характеристики, технологичность и относительная простота. Изделие имеет хорошие экономические показатели, т.к. имеет низкую себестоимость (в конструкции нет дорогостоящих материалов). К недостаткам следует отнести - необходимость соединительных проводов от переключателя к коммутируемым элементам при электрическом монтаже внутри блока ЭА, что приводит к увеличению паразитных связей.

Спроектированная конструкция высокочастотного переключателя полностью отвечает требованиям технического задания и современным требованиям к подобного класса функциональным элементам.

Перечень использованных источников

1.  ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнение для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

2.  Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. М.: «Сов. Радио», 2006.

3.  Белоусов А.К. Электрические разъёмные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Энергия, 2005.

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

5.  Свитенко В.Н. Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство РЭА». – М.: Высш. шк., 1987. – 207 с.

6.  Левин А.П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры (расчёт и конструирование). - М.: «Сов. Радио», 1992. - 216 с.