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 (R_пер ) – одна из основных характеристик контакта ( чем меньше, тем лучше ).

Появление переходного сопротивления объясняется ( R_пер ):

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:

S_реал.>S_перв.

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 R_пер.. Чем больше температура, тем больше скорость роста пленки, но при достижении некоторой температуры пленка разрушается.

серебро …………… t _пл.=150 °C

алюминий…………t_пл.=3000 °С

ü  осаждение пленки воды – оказывает малое влияние на R_пер., 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 ).

R_V1 – сопротивление шероховатостей;

R_ст1– сопротивление стягивания;

R_пл1 – 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;

h_в – средняя высота выступа.

Статическая нестабильность переходного сопротивления – среднеквадратическое отклонение. Характеристикой контактного устройства является динамическая нестабильность – показывает степень изменения R_пер 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 e_инд. и e_ист.. 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 U_h< 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 = R_пер + R_мк:

где R_пер – переходное сопротивление.

R_мк – 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 F_p.

F_p = n*F_pⁱ + F_p ^k;

F_pⁱ = Fтр = Kтр*Q;