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.
Пример: соединитель РПММ1-ВШ1.
-
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
66
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:
Акимов М.М., Ващуков Е.П., Прохоренко В.А. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства. РЭА. Справочник. Минск, Беларусь, 2004г.
Лярский В.Ф., Мурадьян О.Б., Электрические соединители. Справочник – М., Радио и связь, 2008г.