Введение
Повышение качества выпускаемой продукции,снижение затрат на её производство, повышение срока службы и надёжности выпускаемыхизделий, рациональное использование материалов, дальнейшее развитие унификациии нормализации являются основными задачами современной радиоэлектроннойпромышленности. Это тесно связано с повышением качественных показателейсоставляющих их электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Поэтому вопросы проектирования ирационального использования этих элементов очень важны для разработчиковрадиоэлектронной аппаратуры.
Практически все исполнительные системы, втом числе и радиоэлектронные, содержат различные элементы коммутации. Ихфункциональные возможности обусловили широкое применение таких элементов всистемах: автоматики и телемеханики; сигнализации; контроля и защиты;распределения электрической энергии; коммутации линий связи и передачиинформации; резервирования и сопряжение устройств, работающих на различныхпринципах действия или энергетических уровнях; дистанционного управленияисполнительными устройствами, а так же в системах ручного управления электронныхаппаратов (ЭА). С ростом уровня автоматизации и функциональным усложнением ЭАнепрерывно возрастает число применяемых коммутационных устройств и возрастаетответственность выполняемых ими функций.
Разнообразие требований, возникающих впроцессе проектирования современных ЭА, привело к появлению большого числаразновидностей коммутационных устройств, различающихся по назначению, принципудействия, конструктивному исполнению, схемотехническим параметрам и другимпризнакам, определяющим их технические возможности и область применения.Развитие каждой разновидности коммутационных устройств отражает непрерывноеповышение требований к их эксплуатационным и функциональным параметрам. Общиетребования сводятся к снижению энергии, используемой для управления, увеличениюбыстродействия, улучшению качества коммутации (недопустимость вибрацииконтактов, формирование импульсов с крутыми фронтом и срезом и т.п.), повышениюнадёжности, обеспечению конструктивно-параметрической совместимости с другимиэлементами ЭА.
Одними из самых сложных для проектированиякоммутационных устройств являются ВЧ и СВЧ элементы коммутации, что связано сростом паразитных параметров и нестабильности, обусловленных физическимэффектом протекания переменного тока.
Данныйкурсовой проект посвящен разработке высокочастотного переключателя, которыйпредназначен для коммутации сигналов частотой до 10 МГц. В ходе выполненияпроекта на основе анализа требований технического задания, обзора аналогичныхконструкций сформулированы дополнительные требования к будущему изделию ипроизведен выбор направления проектирования. Произведен расчет переключателя,выполнена эскизная проработка его элементов и разработана общая конструкцияизделия. Все принятые конструкторские решения подкреплены соответствующими расчетами.
1. Анализ техническогозадания
Высокочастотныйпереключатель предназначен для коммутации сигналов частотой до 10 МГц встационарных электронных аппаратах и относится к коммутационным устройствамручного управления.
Согласно техническому заданиюпереключатель должен обеспечивать замыкание на четыре положения при следующиххарактеристиках:
– коммутируемоенапряжение до 250 В;
– коммутируемыйток до 0,15 А;
– сопротивлениеизоляции около 1 ГОм;
– ёмкостьмежду соседними контактами 1 пФ.
Исходяиз этих параметров, нужно обеспечить надёжную изоляцию между контактнымипарами, а также корпусом.
Высокочастотныйпереключатель предназначен для эксплуатации в радиоизмерительной аппаратуре, тоесть в помещениях и на открытом пространстве. Климатическое исполнениепереключателя должно соответствовать категории УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, чтопредполагает 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%,
— атмосферноедавление воздуха окружающей среды: 86-104 кПа.
Данныеусловия эксплуатации не предусматривают необходимости в особых конструктивныхмерах по защите изделия от воздействий факторов внешней среды.
Габариты имасса разрабатываемого переключателя должны быть незначительные, чтообусловлено не большими рабочими значениями коммутируемых токов и рабочих напряжений.
Запланированнаяпрограмма выпуска 2000 шт. в год обусловливает изготовление переключателя вусловиях мелкосерийного производства. При этом его конструкция должна быть несложной, выполнена с учетом типовых технологических операций и при ее изготовлениидолжен быть использован распространенный сортамент конструкционных материалов[2].
Использование при производствепереключателя операций типового технологического процесса изготовления призваноувеличить экономический эффект и снизить себестоимость производства.
2. Обзор аналогичныхконструкций и выбор направления проектирования
Рассмотрим общие тенденции развития исуществующие конструктивные решения относительно переключателей с ручнымуправлением.
Коммутационные устройства ручногоуправления предназначены для коммутации электрических цепей с помощью ручногопривода. В зависимости от способа управления приводным механизмом ониподразделяются на следующие группы [2]:
— нажимные (кнопочные);
— перекидные (тумблеры);
— поворотные (галетные и барабанные);
— движковые.
Каждый из способов управления имеет своипреимущества и недостатки. Например, с точки зрения оперативности(быстродействия) и удобства работы оператора предпочтение отдаётся нажимномуспособу управления. Однако при этом способе управления усложняются устройстванадёжной фиксации кнопок в определённых положениях. В настоящее время более илименее чёткая фиксация обеспечивается не более чем в двух положениях, чтоявляется недостатком нажимного управления. Кроме того, для индикациификсированного положения кнопок нужны специальные индикаторы и защита отслучайного нажатия.
При перекидном способе управления втумблерах обеспечивается более надёжная фиксация положения приводногомеханизма, а индикация состояния определяется положением рычага. Недостаткамиперекидного способа являются значительные усилия на рычаг для перевода тумблераиз одного положения в другое, а также малое число положений (полюсов) припереключении (не более трёх).
Наибольшая многополюсность (множествоположений) реализуется при поворотном способе управления. Благодаряособенностям конструкции в поворотных переключателях обеспечивается малое истабильное сопротивление контактов.
При движковом способе управления надёжнаяфиксация переключателя обеспечивается в двух положениях. Применяются движковыепереключатели в аппаратуре, у которой выступающая часть приводного механизмадолжна быть малой.
Коммутационные устройства ручногоуправления бывают, как мгновенного действия, когда скорость их перехода изодного состояния в другое практически не зависит от скорости перемещенияпривода, так и обычного. К коммутационным устройствам мгновенного действияотносятся кнопки и микротумблеры на базе микропереключателей.
В зависимости от степени защищённости отфакторов окружающей среды коммутационные устройства ручного управления бывают:
— пылебрызгозащищенные;
— герметические;
— с применением герконов и др.
Для нормальных условий эксплуатацииприменяются обычные конструктивные меры обеспечения работоспособности.
Коммутационные устройства ручногоуправления в зависимости от рабочей частоты подразделяются на:
— низкочастотные;
— высокочастотные.
Рабочая частота определяет номенклатуруматериалов, использующихся для изготовления переключателей, зазоры и размещениетоковедущих элементов в конструкции.
К основным, контролируемым припроектировании, параметрам коммутационных устройств ручного управленияотносятся [3]:
– усилиеили момент переключения;
– числоположений переключения;
– способфиксации;
– диапазонкоммутируемых напряжений;
– диапазонкоммутируемых токов;
– максимальнаякоммутируемая мощность;
– сопротивлениеэлектрических контактов;
– максимальноечисло переключений;
– сопротивлениеизоляции;
– электрическаяпрочность изоляции;
– ёмкостьмежду соседними контактами;
– диапазонокружающей температуры;
– диапазонатмосферного давления;
– вибро-и ударостойкость;
– габаритныемасса и размеры и др.
Наосновании вышесказанного для проектируемого переключателя в качестве способауправления приводным механизмом выбираем – поворотный. Достоинством поворотныхпереключателей является их большая коммутационная способность. Онаобеспечивается значительным числом положений и направлений переключателя. Числонаправлений переключателя определяется при повороте на одно положение.
Особенностьюповоротных переключателей является скользящий контакт, который обеспечиваетболее высокую стабильность переходного сопротивления и надёжность коммутации посравнению с разрывными контактами. Однако, у скользящих контактов активнейпротекают процессы износа, поэтому, число переключений у поворотных переключателейпримерно на порядок меньше, чем у перекидных и кнопочных.
Рассмотрим в качестве аналогаразрабатываемого переключателя – конструкцию высокочастотного переключателяМПВ-1, внешний вид которого представлен на рис.1 [4].
/>
1 – замыкатель; 3 –элементы крепления
2 – основной блок; 4 — выводы
Рисунок 1 — Высокочастотный переключательМПВ-1
Высокочастотныйпереключатель МПВ-1 рассчитан на переключение цепей переменного тока до 0,25 Ана частотах до 15 МГц. Емкость между любым контактом и корпусом не превышает1пФ, сопротивление изоляции – не менее 100 Мом.
Такиепереключатели выпускаются двух видов: с одним замыкателем на 8 положений (однонаправление) и двумя замыкателями на 4 положения (два направления). Габаритныеразмеры переключателя – 22х13х12 мм;
масса – 4 г.
Элементыкрепления позволяют установить переключатель МПВ-1, как на печатный модуль, таки на панель ЭА.
Согласнопроведенному анализу, в качестве дополнительных требований к конструкциисформулируем следующие требования:
— способуправления приводным механизмом переключателя – поворотный;
— креплениепереключателя предусмотреть для панельного монтажа.
Определяем площадь перекрытия контактов,через которую ток подводятся непосредственно к месту контакта и контактноеусилие. В случае, когда контакты соприкасаются по поверхности, принимаютплотность тока
j = 0,3 А/мм2; удельное давление ρ = 0,5 кгс/мм2.
Площадь перекрытия контактов
3. Расчет переключателя
3.1 Электрический и конструктивный расчетпереключателя
Припроектировании переключателей производят расчет контактов, сопротивленияизоляции и ёмкости контактов. Расчет проведем согласно известной методике [5].
/>, мм2, (3.1)
где Iк– значение тока, протекающего через контакт.
/> (мм2).
Контактное усилие.
/>, кгс (3.2)
/> (кгс)
Выбираем материал для контактов.
Согласно рекомендациям [5], дляизготовления контактов разрабатываемого переключателя подходят следующиематериалы [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 хорошимиупругими, механическими и антикоррозионными свойствами, более высоким сопротивлениемусталости, высокой твёрдостью и электропроводностью по сравнению с другимибронзами, антимагнитна. Применяется для работы в магнитных и электрическихполях и в агрессивных средах при нормальной температуре. Латунь Л62 обладаетудовлетворительными упругими и механическими свойствами, хорошей электро- итеплопроводностью, повышенной коррозионной стойкостью. Основные характеристикиданных материалов приведены в таблице 3.
Таблица 3.1 – Основные характеристикиматериаловМатериал 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
Расчётактивной составляющей переходного сопротивления на высоких частотахпроизводится по формуле
/>, Ом (3.3)
где f – частота (в нашем случае f= 10 МГц);
/> – относительная магнитнаяпроницаемость материала контакта;
D – диаметр кажущейся поверхности;
R – радиус выступов микронеровностей;
hm – максимальная высота микровыступов;
Е – модуль упругости первого рода;
Pк – контактное усилие;
/> –удельное электрическоесопротивление;
/> – средняя величина удельногодавления на проводящем участке переходной зоны:
/>, (3.4)
где a – радиус контактной площадки,который находится из уравнений Герца:
/>; (3.5)
/> – максимальное контактноедавление в центре контактной зоны (также определяется по уравнениям Герца):
/>; (3.6)
/> – средняя глубина проникновениятока, мм:
/>; (3.7)
с – коэффициент, зависящий от качества обработки поверхности:
/> (3.8)
где b, K2, и n – параметры, зависящие от вида обработкиконтактной поверхности.
Приконтактировании двух шероховатых поверхностей в формулы (3.3) — (3.8)подставляются приведённые, получаемые по расчету по данным таблицы 3.1,значения n, b, R, E, hm и К2,которые определяются следующим образом:
/>, мкОм∙мм, (3.9)
/> (мкОм∙мм)
/>, (3.10)
/>.
/>, (3.11)
где k1 – коэффициентзависящий от n1 и n2 (k1=0,05).
/>.
/>, мм (3.12)
/> (мм).
/>, кгс/мм2 (3.13)
/> (кгс/мм2).
/>, мм (3.14)
/> (мм).
/>, (3.15)
/>.
Подставляемполученные данные в исходные формулы:
/>;
/> (мм);
/> (кгс/мм2);
/> (мм);
/>/> (кгс/мм2).
Подставляемполученные значения в (3.3), находим:
/>
/> (Ом).
Определим температуру локальногоперегрева.
/>, (3.16)
где r – удельное электрическое сопротивление тела контакта;
l – теплопроводность материала контактов;
Rп – переходное сопротивление;
I – ток проходящий через контакт.
Таблица 3.2 – Исходные данные длятеплового расчетаМатериал 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 перегревадля бронзы БрБ2:
/> (°С).
Оценим температуру локального перегревадля латуни Л62:
/> (°С).
Полученныезначения перегрева обеспечивают значительную температурную стабильностьконтакта, т.е. протекающий ток не вызывает изменение параметров перехода.
Ёмкость между контактными пружинами.
Вычисляем минимально допустимое расстояниеb, обеспечивающее заданное сопротивление изоляции между контактными пружинами,которое приведено на рис. 3.1.
/>
Рис 3.1 Cопротивление изоляции междуконтактными пружинами
/>, мм (3.17)
где Rиз — сопротивлениеизолятора, Rиз = 2,5×109 Ом;
L, l – параметры соединения, L = 7 мм, l = 2мм;
rs – удельное поверхностное сопротивление материала изолятора,на котором укреплены контактные пружины, ρ = 1012.
/> (мм).
Определяемёмкость между контактными пружинами
/> (3.18)
где ε — диэлектрическая проницаемостьматериала изолятора, e = 4;
H – толщина изоляции, H = 2 мм.
/> (пФ).
Ёмкость переходной зоны вычисляем последующей формуле:
/> (3.19)
где ε0– диэлектрическаяпостоянная;
e1 – относительная диэлектрическая проницаемость воздушногопромежутка между контактными поверхностями;
аm – наибольшее внедрение:
/>, мм (3.20)
/>
/>(мм).
Величина контактного усилия /> вычисляется по формуле:
/>, (3.21)
где /> – площадь наружной зоны кажущейсяконтактной 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 меньшезаданного по требованиям технического задания.
Рассчитываем усилие, необходимое дляперемещения контактов.
/>, кгс (3.23)
где /> – коэффициент,учитывающий колебание жёсткости упругого элемента в зависимости от измененияразмеров и модуля упругости,
/> = 1;
/> – коэффициент,учитывающий влияния погрешности изготовления контактного узла, /> = 1;
/> – коэффициентпогрешности установки контактной пары в приборе (перекосы, непараллельности ит.п.); /> =1,05;
/> – коэффициент,учитывающий изменение коэффициента трения от пыли, грязи, оксидных плёнок ит.п., /> =1,05;
/> -температурный коэффициент, /> = 1,3;
N – количество упругихэлементов.
Имеем:
/> (кгс).
4. Эскизная проработкаэлемента
Эскиз общеговида разработанного высокочастотного переключателя в разобранном состояниипредставлен на рис.4.1.
/>
1 – винты; 4 –шарики;
2 – крышка; 5 –основание;
3 – ручка; 6 – контакты
Рисунок 4.1 – Малогабаритный переключателькругового вращения
Согласно представленному рисунку 4.1,конструкция спроектированного высокочастотного переключателя состоит из:основания с контактами, поворотной ручки, пружин, шариков и крышки. При сборкеручка, поворотом которой производиться замыкание контактов переключателя,зажимается между основанием и крышкой. Крышка к основанию крепитьсянепосредственно четырьмя винтами М1.5х6g-6ГОСТ 17475-80. Фиксацияположения переключателя осуществляется в результате западания шарика впозиционное отверстие, выполненное на крышке. При этом необходимое контактноеусилие обеспечивается пружинами.
Ручка и основание переключателя выполненыиз пресс-порошка марки К‑81‑39 методом прессования. Детали,изготовленные из этого материала,
обладают рядом достоинств: имеют точнуюформу, приятный внешний вид, почти не требуют механической обработки и обладаютдостаточно высокими механическими и электроизоляционными свойствами.
Конструкция переключателя технологична,что позволяет организовать ее выпуск в условиях мелкосерийного производства.
Спроектированная конструкциявысокочастотного переключателя полностью отвечает требованиям техническогозадания и современным требованиям к подобного класса функциональным элементам.
Заключение
В курсовом проекте, согласно требованиям техническогозадания, 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. Конструкцияотработана на технологичность с учетом ее предполагаемого выпуска в условияхмелкосерийного производства.
Достоинствами конструкции разработанногопереключателя являются – малые габариты, хорошие электрические характеристики,технологичность и относительная простота. Изделие имеет хорошие экономическиепоказатели, т.к. имеет низкую себестоимость (в конструкции нет дорогостоящихматериалов). К недостаткам следует отнести — необходимость соединительныхпроводов от переключателя к коммутируемым элементам при электрическом монтажевнутри блока ЭА, что приводит к увеличению паразитных связей.
Спроектированная конструкциявысокочастотного переключателя полностью отвечает требованиям техническогозадания и современным требованиям к подобного класса функциональным элементам.
Перечень использованныхисточников
1. ГОСТ15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнение дляразличных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения итранспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
2. РычинаТ.А. Электрорадиоэлементы. М.: «Сов. Радио», 2006.
3. БелоусовА.К. Электрические разъёмные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-еперераб. и доп. — М.: Энергия, 2005.
4. АкимовН.Н. и др. Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутационныеустройства РЭА. Справочник. – Минск: Беларусь, 1994.
5. СвитенкоВ.Н. Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузовпо спец. «Конструирование и производство РЭА». – М.: Высш. шк., 1987. – 207 с.
6. ЛевинА.П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры (расчёт иконструирование). — М.: «Сов. Радио», 1992. — 216 с.