Расчет переключателей
Мурманский
Государственный Технический Университет кафедра РТКС
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ
ЗАДАНИЕ №1,2
по дисциплине:
"Элементная база радиоэлектроники"
Выполнил: с-т гр. Р-471
Назаренко А. М.
Проверил: Милкин В.И.
Мурманск
2008
Теоретические сведения
1. Классификация и система условных обозначений
электрических соединителей
Электрический соединитель—это
электромеханическое устройство, предназначенное для механического соединения и
разъединения вручную электрических цепей (проводов, кабелей, модулей, узлов и
блоков) в различных видах аппаратуры при выключенном источнике тока через
соединитель.
Основными деталями
(узлами) электрических соединителей являются контакты-детали, изоляторы,
корпусные детали и зажимные элементы. Соединители, выполненные с учетом
дополнительных требований (герметичность, водонепроницаемость, пылезащищенность
и др.), снабжены дополнительными защитными или уплотняющими элементами.
Изоляторы предназначены
для создания электрической изоляции между контактами и между контактами и
металлическим корпусом в заданных условиях работы. Изоляторы служат также для
закрепления и фиксации контактов и передачи механических сил контактам при
сочленении и расчленении вилок в розеток соединителей.
Корпус соединителя
обеспечивает прочную и однозначную установку изоляторов, защиту контактов и
изоляторов от повреждений, крепление жгута или кабеля к соединителю и всего
соединителя к аппаратуре, взаимную ориентацию ответных частей соединителя и их
фиксацию в сочлененном положении.
В цилиндрических
соединителях для крепления изоляторов в корпусе применяют пружинные кольца, в
прямоугольных соединителях — винтовые зажимы.
Для сочленения и
расчленения вилки с розеткой цилиндрических соединителей применяются
соединительные гайки, которые одновременно служат для фиксации соединителя в
сочлененном состоянии.
Для выполнения той же
функции в прямоугольных и комбинированных соединителях применяются специальные
замковые устройства.
Контактная пара является
основным функциональным элементом соединителя и, как правило, состоит из гнезда
и штыря.
Электрическое соединение
в сочлененном соединителе осуществляется соприкосновением поверхностей штыря и
гнезда при определенном нажатии, создаваемым упругим элементом, которым может
быть как штырь, так и гнездо.
По виду соединяемых цепей
все электрические соединители ручного управления подразделяются на
низкочастотные (НЧ) напряжением до 1,5 кВ, радиочастотные (РЧ) напряжением
свыше 1,5 кВ и комбинированные.
Низкочастотный
электрический соединитель предназначен для работы в электрических цепях
переменного и импульсного токов с частотой до 3 МГц с рабочей длительностью сигнальных
фронтов импульсов до 0,1 нс.
Радиочастотный
электрический соединитель предназначен для соединения и разъединения
радиочастотных трактов с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом.
Комбинированный
электрический соединитель предназначен для одновременного соединения и
разъединения низкочастотных, радиочастотных и импульсных цепей.
По конструктивным
особенностям и форме изолятора соединители подразделяются на цилиндрические и
прямоугольные.
По способу сочленения
частей соединителя и фиксации сочлененного положения цилиндрические соединители
подразделяются на байонетное, врубное, резьбовое, самозапирающееся.
Прямоугольные же
соединители можно подразделить по способу монтажа в аппаратуре. По этим
признакам они подразделяются на приборные или для объемного монтажа, для
печатного монтажа и для печатно-объемного монтажа.
Радиочастотные
соединители по виду сочленения внешнего контакта подразделяются на соединители
с резьбовым соединением, с байонетным соединением и с врубным соединением.
По конструктивному
исполнению РЧ-соединители подразделяются на приборные, кабельные, переходники,
коаксиально-полосковые переходы, тройники и четверники.
Выпускаемые электрические
соединители имеют различные обозначения в связи с тем, что определенная система
обозначений была установлена после внедрения ГОСТ 17468—72, взамен которого в
1977 г. внедрен ГОСТ 17468—76 с изменением редакции в 1980 г. До внедрения
указанных стандартов обозначения производились в соответствии с общими
техническими условиями на группы соединителей.
Согласно ГОСТ 17468—76
условные обозначения НЧ- и комбинированных соединителей состоят из буквенных и
цифровых элементов.
Первый элемент условного
обозначения определяет их группу, подгруппу и вид соединителей. Состоит из трех
букв, где первые две буквы обозначают группу и подгруппу соединителей.
Соединители ручного управления общего назначения низкочастотные напряжением до
1,5 кВ имеют обозначение ОН, а комбинированные ОК. Вид соединителя характеризуется
третьей буквой. Цилиндрические соединители обозначаются буквой Ц, прямоугольные
буквой П. Стандарт устанавливает большую букву Ц и П и малую "ц" и
<п" соответственно для соединителей объемного и печатного монтажа, т.
е. в соответствии со стандартом соединители ручного сочленения (расчленения)
общего назначения низкочастотные до 1500 В, цилиндрические для объемного
монтажа имеют обозначение ОНЦ, а соединители этой же группы, предназначенные
для печатного монтажа, обозначаются ОНц. Аналогичным образом обозначаются
прямоугольные НЧ-соединители общего назначения напряжением до 1500 В; для
объемного монтажа ОНП, а для печатного монтажа ОНп. Соответственно
комбинированные соединители обозначаются ОКП и ОКп.
Второй элемент
обозначения определяет способ соединения ответных частей соединителей и
фиксации сочлененного положения: Б—байонетное, Р— резьбовое, В — врубное, С —
самозапирающееся, П — с принудительным обжатием контактов, Ж — с винтовой
фиксацией сочленного положения, 3 — с пружинной фиксацией сочленного положения,
Н — непосредственное сочленение с печатной платой, К — косвенное сочленение с
печатной платой.
Габаритные размеры
соединителей и их обозначения: Н—нормальных габаритов, Г — малогабаритные, С —
субминиатюрные, М — микроминиатюрные, К — супермикроминиатюрные.
2. Коммутационные
устройства ручного управления
2.1 Классификация,
основные параметры, условные обозначения
Коммутационные устройства
ручного управления предназначены, для коммутации электрических цепей с помощью
ручного привода.
В зависимости от способа управления приводным механизмом коммутационные
устройства ручного управления подразделяется на следующие группы: нажимные
(кнопочные), перекидные (тумблеры), поворотные (галетные и барабанные) и
движковые.
Каждый из способов
управления имеет свои преимущества и недостатки. Например, с точки зрения
оперативности (быстродействия) и удобства работы оператора предпочтение
отдается нажимному способу управления. Однако при этом способе управления
усложняются устройства надежной фиксации кнопок в определенных положениях. В
настоящее время более или менее четкая фиксация обеспечивается не более; чем в
двух положениях, что является недостатком нажимного управления. Кроме тоги, для
индикации фиксированного положения кнопок нужны специальные индикаторы и защита
от случайного нажатия кнопок.
При перекидном способе
управления в тумблерах обеспечивается более надежная фиксация положения
приводного механизма, 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 трех).
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 надежная фиксация переключателя обеспечивается в двух положениях.
Применяются движковые переключатели в аппаратуре, у которой выступающая часть
приводного механизма должна быть малой.
Коммутационные устройства
ручного управления могут быть как мгновенного действия, когда скорость их
перехода из одного состояния в другое практически не зависит от скорости
перемещения привода, так и обычного действия.
К коммутационным
устройствам мгновенного действия относятся кнопки и микротумблеры на базе микропереключателей.
В зависимости от степени
защищенности от окружающей среды коммутационные устройства ручного управления
бывают: пылебрызгозащищенные, герметические, с применением герконов и др.
Коммутационные устройства
ручного управления подразделяются также на низкочастотные и высокочастотные.
Основными параметрами
коммутационных устройств ручного управления являются:
усилие или момент
переключения;
число положений
переключения;
способ фиксации;
диапазон коммутируемых
напряжений;
диапазон коммутируемых
токов;
максимальная
коммутируемая мощность;
сопротивление
электрических контактов;
максимальное число
переключении;
сопротивление изоляции;
электрическая прочность
изоляции;
емкость между соседними
контактами;
диапазон окружающей
температуры;
диапазон атмосферного
давления;
вибро- и
удароустойчивость;
габаритные размеры, масса
и др.
РГЗ №1 Расчет
переключателей
Задание: Подобрать
коммутационное устройство для коммутации цепи переменного тока до 4(А).,
позволяющее зрительно контролировать рабочее состояние на панели прибора. Число
полюсов 2 Усилие срабатывания не более 12 Н Сопротивление контактов 0,05 Ом.
Число переключений .
а) Расчет точечного
контакта
1. Так как коммутируемый
ток равен 4 А, то в качестве материала контактов выберем медь. Из справочника
находим напряжение размягчения меди Uр=0,1 В. Зная напряжение размягчения определим
допустимое падение напряжения на контакте:
2. Вычислим величину
контактного сопротивления:
3. Определим необходимое
контактное усилие:
где n=2, K=2·, т.к. контакты сделаны из меди.
Полученное значение для идеально чистых поверхностей теперь увеличим в 10 раз,
для того чтобы учесть качество изготовления контактов и условия эксплуатации.
б) Расчет контактов,
соприкасающихся по поверхности
1. Для контактов,
соприкасающихся по поверхности примем плотность тока j=0,1 ; удельное давление p=0,05 . Теперь определим площадь перекрытия
контактов, через которую ток подводится непосредственно к месту контакта:
2. Найдем контактное
усилие
3. Теперь выбираем форму
контактов: шар-плоскость и материал —медь.
4. Определяем величину
контактного сопротивления, которое зависит от конструкции и формы контактов:
5. Определяем радиус
площади перекрытия контактов:
6. Определяем радиус
кривизны контактов:
где и — модули упругости, . r — радиус шара.
7. Вычисляем минимально
допустимое расстояние, обеспечивающее заданное сопротивление изоляции между
контактными пружинами.
где — удельное поверхностное сопротивление
материала изолятора (в данном случае — фторопласта 4), на котором укреплены
контактные пружины [Ом]. Объемным сопротивлением изоляции пренебрегаем.
8. Определяем емкость
между контактными пружинами
9. Определяем температуру
точек соприкосновения между контактами:
где @100 — теплопроводность, ; =0,01754
— удельное сопротивление мк.
Расчет был произведен таким образом, чтобы не допустить сваривания контактов
(температура точек соприкосновения меньше температуры размягчения контактов =
1080 ).
РГЗ №2 Расчет разъема
(соединителя).
Задание: Требуется
выполнить необходимые расчеты и подобрать типовой миниатюрный соединитель на 26
контактов для объемного монтажа РЭА. Максимальное рабочее напряжение 200 В.
Максимальный ток на один контакт 3А. Ток переменный и импульсный с частотой до
3 Мгц. Рабочая температура от -40до
+80,влажность 98%.
а) Расчет точечного
контакта
1. Так как коммутируемый
ток равен 3 А, то в качестве материала контактов выберем медь. Из справочника
находим напряжение размягчения меди Uр=0,1 В. Зная напряжение размягчения
определим допустимое падение напряжения на контакте:
2. Вычислим величину
контактного сопротивления:
3. Определим необходимое
контактное усилие:
где n=2, K=, т.к. контакты сделаны из меди. Полученное
значение для идеально чистых поверхностей теперь увеличим в 10 раз, для того
чтобы учесть качество изготовления контактов и условия эксплуатации.
б) Расчет соединителя
1. Рассчитаем, контактное
усилие приходящееся на один контакт.
Определим переходное
сопротивление чистых металлических поверхностей для плоского контакта:
где — удельное сопротивление, ; — высота микровыступов, мм.
2. Вычислим контактное
сопротивление:
где — сопротивление рабочей части гнезда и
штыря, Ом.
4. Выбираем диаметр
круглых контактных пар с серебряным и золотым покрытием в зависимости от
максимального тока по справочнику. В Данном случае: — наименьший диаметр
контакта 1 мм, максимальный рабочий ток 4 А, контактное сопротивление 0,003 Ом.
5. Определяем температуру
точек соприкосновения между контактами
где — теплопроводность, ; — удельное сопротивление
6. Вычисляем усилие
сочленения (расчленения) разъема, состоящего из n пар (в нашем случае n=26):
=12,79 Н
где — коэффициент трения i - й пары; — контактное усилие i - й пары.
7. Так как рабочая
частота равна 3 МГц, то соотношение между диаметром r проводника и минимальным
расстоянием между двумя сосденими проводниками a, выбираем из условия
обеспечения необходимого волнового сопротивления.
@ 75 Ом
Волновое сопротивление
величиной 75 Ом будет обеспечено при a = 1,25 мм, r = 0,5 мм.
В соответствии с заданием
к РГЗ №1 подбираем типовое коммутационное устройство, удовлетворяющее всем
требованиям задания. Таковым, например, является перекидной переключатель типа
ПТ-45.
В соответствии с заданием
к РГЗ №2 подбираем типовой соединитель, удовлетворяющий всем требованиям
задания. Таковым, например, является РПММ1-ВШ1
Ниже приведены справочные
данные по тумблеру ПТ-45 и соединителю РПММ1-ВШ1, а также эскизы конструкций и
конструктивные параметры.
2.2 Перекидные
переключатели (тумблеры)
Перекидные переключатели
предназначены дли коммутации цепей постоянного и переменного тока с
коммутируемой мощностью 25...600 В "А. По своей конструкции все перекидные
переключатели примерно одинаковы, приводной элемент переключения у них связан с
рычагом (ручкой). Рычаг предназначен не только для переключения (перекидывания
из одного положения в другое), но и для зрительного контроля за рабочим состоянием
переключателя ("включенно", "выключено"). Для более
надежного контроля, особенно в условиях недостаточной видимости, ручки
переключателей могут иметь световую индикацию.
Ручки переключателей в
большинстве случаев цилиндрические и конусообразные, угол между их положениями
— 35°...50°.
Перекидные переключатели
могут иметь два или три фиксированных положения. Ряд переключателей имеет
самовозврат в исходное или нейтральное положение, рычаги некоторых из них
снабжаются протектором.
Перекидные переключатели
могут быть двух-, трех- и четырехполюсными. Число схем коммутации определяется
как сочетание числа полюсов в данном типе переключателя и числа видов фиксации
его ручки.
Коммутир. мощ-ть: 160/660
Вт/В *А.
Диапазон коммутир. токов:
10-6…5
Диапазон коммутир.
напряж.: 10-4…127/250 (пост/перем)
Мах. число коммутаций:
(2…5)*104
Сопр. электрич контактов:0.05
(Ом)
Масса: 15г.
Соединители типа
РПММ1
Миниатюрные соединители
типа РПММ1 предназначены для соединения электрических цепей постоянного тока,
переменного и импульсного токов (с частотой до 3 МГц) электро- и
радиотехнической аппаратуры с объемным монтажом. В кабельных и приборных частях
соединителей предусмотрены резьбовые направляющие штыри и втулки Материал
покрытия контактов — серебро.
Тип
|
РПММ1
|
Число контактов
|
8 (11,14,20,26)
|
Часть соединителя
|
|
вилка (штырь), розетка (гнездо)
|
Ш (Г)
|
Конструктивное исполнение:
|
|
блочная часть без кожуха (блочная
часть с резьбовыми направляющими, кабельная часть с хомутом, кабельная часть
без кожуха;
|
1 (3,8,9)
|
Условия эксплуатации.
Допускаемые значения механических и климатических воздействий приведены в табл.
2.
Наименование воздействующего
фактора
|
Значение
|
Ускорение, м/с2:
|
|
при вибрации в диапазоне частот
1...5000 Гц
|
150
|
для ЦП, Г1, Ш8, Г2 в диапазоне
1...80 Гц
|
75
|
при многократных ударах (для Ш1,
Г1, Ш8, Г8)
|
120
|
при одиночных ударах
|
10 000
|
при линейных нагрузках
|
2000
|
Температура окружающей среды, К
(°С)
|
213...373 (—60...+1100)
|
Относительная влажность воздуха
при значении температуры +35°С, %
|
98
|
Атмосферное давление:
|
|
пониженное, Па
|
1,333-10-4
|
повышенное, кПа
|
303
|
Таблица 3
Наименование
параметра
|
Значение
|
Рабочее
напряжение:
|
|
минимальное, В
|
0,001
|
максимальное,
В
|
200
|
Ток на
контакт:
|
|
минимальный,
мкА
|
1
|
максимальный,
А
|
3
|
Сопротивление
электрического контакта, Ом
|
0,008
|
Сопротивление
изоляции:
|
|
в нормальных
условиях
|
1000
|
при
температуре 388 К (115°С)
|
50
|
при повышенной
влажности до 98% при 40°С
|
20
|
Перегрев
контактов, °С
|
30
|
Соединители устойчивы к
воздействию морского тумана, плесневых грибов, инея и росы, солнечной радиации.
Расположение контактов
показано на рис. . Значения суммарных усилий расчленения соединителей даны в
табл. 4.
Таблица 4
Число контактов
|
8
|
11
|
14
|
20
|
26
|
35
|
44
|
50
|
Усилие расчленения соединителей,
Н
|
15
|
20
|
26
|
38
|
49
|
66
|
83
|
95
|
120
|
Надежность. Зависимость
гарантийной наработки Т от температуры окружающей среды I с учетом температуры
перегрева контактов при числе сочленений 500 приведена в табл. 155.
Таблица 155
T, К (°С)
|
403(130)
|
393(120)
|
388(115)
|
383(110)
|
378(105)
|
373(100)
|
Т. 10-', ч
|
1
|
2
|
3
|
5
|
7,6
|
10
|
T, К (°С)
|
368 (95)
|
363 (90)
|
358(85)
|
348 (75)
|
338 (65)
|
Т.10-3,
ч
|
15
|
20
|
25
|
50
|
100
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Литература:
1.
Акимов М.М.,
Ващуков Е.П., Прохоренко В.А. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы,
дроссели, коммутационные устройства. РЭА. Справочник. Минск, Беларусь, 2004г.
2.
Лярский В.Ф.,
Мурадьян О.Б., Электрические соединители. Справочник – М., Радио и связь, 2008г.