Вопрос1. Переключатели и тумблеры.

 

Переключатели. Переключатели имеются в схемах почти всегда. Несмотря на свою простоту, они играют существенную роль в электронной технике.

Рисунок 1.1– Панельные тумблеры

 

Рисунок 1.2 – Основные типы переключателе

 

На рис. 1.1 показано несколько распростра­ненных типов переключателей.

Тумблеры. В зависимости от числа полюсов или подвижных контактов тумб­леры бывают нескольких типов. Наиболее распространены одно- и двухпозиционные тумблеры, показанные на рис. 1.2.

Про­мышленность выпускает также трехпози­ционные тумблеры, среднее положение которых соответствует состоянию «выключено»; они могут переключать одновременно до четырех контактных групп. Тумблерные переключатели рабо­тают по принципу «разомкнут-замкнут», это значит, что подвижный контакт ни­когда не замыкает оба вывода переклю­чателя одновременно.

Кнопочные переключатели. Кнопочные переключатели полезны в тех случаях, когда требуется обеспечить мгновенный контакт; их схематическое изображение представлено на рис. 1.3 (кнопочные выключатели бывают двух типов: нор­мально разомкнутые (НР) и нормально замкнутые (НЗ)) В двухпозиционном переключателе выводы обозначают НР и НЗ, в однопозиционном переключателе двойное обозначение излишне. Кнопоч­ные переключатели всегда работают по принципу «разомкнут-замкнут» Электро­техническая промышленность маркирует выключатели символами А, В и С, кото­рые соответствуют однополюсному однопозиционному переключателю типа НР, однополюсному однопозиционному пере­ключателю типа НЗ и однополюсному двухпозиционному переключателю соот­ветственно.

 

Рисунок 1.3 – Кнопочные выключатели

Поворотные переключатели. Существу­ющие поворотные переключатели очень разнообразны по своей конструкции: они имеют различное число полюсов (ламе­лей) и рассчитаны на большое число позиций. Поворотные переключатели мо­гут быть замыкающими (работают по принципу «замкнут-разомкнут») и неза­мыкающими (работают по принципу «разомкнут-замкнут»), причем очень час­то эти два типа сочетаются в одном пере­ключателе. Замыкающие переключатели используют в тех случаях когда схема в промежуточном положении переключа­теля должна представлять собой замкну­тый контур, при наличии разомкнутых входов состояние схемы непредсказуемо. Незамыкающие переключатели использу­ют, например, для подключения несколь­ких шин к одной обшей, при этом не допускается соединения отдельных шин между собой.

Другие типы переключателей. Помимо основных типов переключателей, пере­численных выше, промышленность вы­пускает и некоторые специальные пере­ключатели, например переключатели, принцип действия которых основан на эффекте Холла, магнитоуправляемые ре­ле, язычковые переключатели и др. Все переключатели характеризуются предель­ными значениями токов и напряжений; для небольшого тумблерного переключа­теля предельное значение напряжения составляет 150В. а предельное значение тока — 5 А. Если переключатель работает с индуктивной нагрузкой, то его срок службы резко сокращается в связи с тем, что в момент отклонения нагрузки в выключателе возникает дуговой разряд.

Примеры схем с переключателями. Рас­смотрим такую задачу: предупредитель­ный звонок должен включаться при усло­вии, что водитель сел за руль машины, а одна из двери открыта. К дверцам машины и к сиденью водителя подключе­ны переключатели типа НР.

На рис. 1.4 показана схема, с помощью которой можно решить поставленную задачу Ес­ли открыта одна ИЛИ другая дверца И замкнут переключатель, связанный с сиденьем, то включается звонок. Союзы ИЛИ, И имеют здесь смысл операций булевой логики.

 

 

Рисунок 1.4 – Практическая схема для машины.

 

На рис. 1 5 показана классическая схема с выключателем, которая исполь­зуется для включения и выключения света в комнате с помощью выключателей, установленных у двух дверей комнаты.

 

Рисунок 1.5 - Классическая схема с выключателем, которая исполь­зуется для включения и выключения света в комнате.

 

Задание на самостоятельную работу. Не всякий разработчик электрон­ных схем знает то. что известно любому электро­монтеру - как сделать такое приспособление, чтобы можно было включать и выключать свет с помощью N выключателей, где IV-произвольное число. Поду­майте, как соответствующим образом обобщить схе­му, представленную на рис. 1.5. Для решения зада­чи потребуется два однополюсных двухпозиционных переключателя и N — 2 двухполюсных двухпозицион­ных. (Подсказка, сначала придумайте, как с помощью двухполюсного двухпозиционного переключателя замкнуть пару проводов).

Вопрос 2. Реле.

Реле – это выключатели, применяемые для разъединения, переключения и соединения электрических цепей с целью создания определенных условий эксплуатации приборов. Эти коммутационные устройства питания предложены в продаже в широком ассортименте разновидностей, отличающиеся по конструктивным особенностям и типу поступающего сигнала.

Сфера применения. Различные виды реле используются в разнообразных направлениях:

• управление электрических систем;
• защиты систем от скачков напряжения;
• обеспечения бесперебойной работы приоритетного оборудования;
• автоматизации оборудования.

От функционирования данных устройств зависит фактическая целостность систем целиком или отдельного дорогостоящего оборудования. В связи с этим к релe предъявляются строгие требования, такие как надежность, чувствительность и быстродействие. Отдельные устройства способны реагировать на изменение параметров в выбранном порядке. К примеру, при возникновении аварийных ситуаций они отключают только поврежденные участки систем, в то время как все остальные элементы продолжат функционировать бесперебойно. Виды реле:

• электронные;
• герконовые;
• электротепловые;
• для извлечения временной выдержки;
• реле света;

• электромагнитные;
• приоритета.

Электронны. Такие устройства обычно применяются для подключения больших силовых нагрузок. Они подают и отключают напряжение на электрическую цепь. Электронные релe оснащаются полупроводниковым элементами (Резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, микросхемы и т.п.). Они реагируют на изменение параметров напряжения. Такие устройства можно встретить и в электросистеме транспортных средств. К примеру, блок электронных релe контролирует расход энергии и величину напряжения на клеммах аккумулятора. Также он выполняет функцию управления системой освещения.

Герконовые. Такие виды реле представляют собой герконовую катушку. Внешне они выполнены в виде баллона, внутри которого создан вакуум или закачен специальный инертный газ. В таких условиях располагаются соединительные элементы из пермаллоя в виде проволоки с контактами и покрываются тонким золотым или серебряным напылением. Геркон располагается в центре электрического магнита или находится под воздействием его поля. В то время, когда ток подается на обмотку, образуется магнитный поток, который намагничивает пружины и запирает контакты. Обычно реле герконового типа применяется для переключения электрических цепей.

Герконовые релe бывают замыкающими, переключающими или размыкающими. Неоспоримым преимуществом подобных устройств являются их небольшие габариты, доступная стоимость, а также отсутствие трущихся частей, что обеспечивает их большим ресурсом. Их контактная группа полностью защищена от влаги, и располагается в благоприятных условиях вакуума или специального газа, что повышает надежность.

При использовании герконовых реле потребуется избегать применения таких устройств вблизи от источника ультразвука, который отрицательно влияет на электрические параметры датчика. Такой же эффект создает и стороннее магнитное поле. Также нужно учитывать, что герконовые реле не переносят механических повреждений. Зачастую применяемая у них колба изготавливается из стекла, поэтому если его разбить, то устройство не сработает. Также нужно учитывать, что при подаче больших токов контакты герконов самопроизвольно размыкаются, поэтому такое оборудование должно эксплуатироваться только в тех системах, параметры напряжения в которых соответствуют техническим возможностям реле, прописанным в его инструкции. Такая же проблема с самовольным размыканием и замыканием контактов наблюдается и при работе с низкочастотным напряжением.

Электротепловые. В устройстве таких релe применяются биметаллические пластины (слои из разных металлов). В принципе работы оборудования лежит разный коэффициент расширения при разогреве пластин. При достижении определенного показателя нагрева осуществляется отключение или переключение параметров электрического тока. Обычно тепловые релe применяют при подключении электрических двигателей. Если оборудование начинает работать на износ в результате увеличения нагрузки, то увеличивается расход количества энергии. Как следствие через релe проходит значительно больше электричества, что и приводит к его разогреву. Столь серьезные нагрузки обычно сопровождаются аварийными ситуациями, поэтому и применяется тепловое релe, которое прекратит подачу питания на оборудование. После того как биметаллические пластины в термореле остынут, электродвигатель снова удастся запустить. На термических релe может иметься колесико регулировки температуры, а иногда предусматривается кнопка принудительного запуска.

Тепловые виды реле также бывают разных типов. Они могут применяться для трехфазных или обычных электросетей. Есть устройства, в которых температура контролируется с помощью чувствительного щупа, прикладываемого непосредственно к оборудованию. Также бывают устройства, в которых вместо металлических пластин применяются специальные сплавы. При достижении определенных температур они расплавляются, тем самым полностью разрывая цепь. Эти устройства отличаются высокой скоростью срабатывания. Их принцип работы практически идентичен предохранителям. Для последующего запуска оборудования необходимо полностью сменить релe или расплавленный проводник, если это конструктивно предусматривается. Подобные устройства обычно устанавливаются непосредственно на оборудование как последняя стадия защиты от перегорания.

Рел e временной выдержки. Такие виды релe являются очень распространенными во многих сферах промышленности и бытовой жизни. Они позволяют подавать и отключать напряжения с короткими промежутками времени между действиями. В них применяются специальные замедляющие схемы, позволяющие создавать паузу в передаче электричества по цепи на несколько секунд. Продолжительность разрыва зависит от сферы применения релe. Именно эти устройства работают в автомобилях при включении поворотных сигналов. Релe подает питание на лампочку и отключает его, многократно повторяя такое действие. Подобные устройства используются и на световых гирляндах, применяемых для украшения елки. Увидеть в работе релe временной выдержки можно и на мигающих светофорах, которые стоят на железнодорожных переездах и т.д.

Таймер света. Такие виды реле весьма схожи с устройствами для извлечения временной выдержки. Они применяются для контроля за осветительным оборудованием, а точнее его запрограммированным включением и отключением в определенные часы. Релe выпускаются для промышленных и бытовых нужд. Промышленные таймеры света используются в крупных теплицах, животноводческих предприятиях и т.д.

В бытовой жизни подобные устройства можно встретить в домашних аквариумах, где они включают и отключают свет в строго заданном режиме. Таким образом, таймер света выполняет роль посредника, который подает напряжение на протяжении определенного времени, после чего его отключает. Фактически к устройству можно подключить и нагреватель, вентилятор или прочее электрооборудование, которое должно работать в определенные часы.

Подобные устройства могут быть электронными или электромеханическими. Электронные работают бесшумно, в то время как электромеханические создают незначительный гул. Электромеханические не имеют собственного источника питания, поэтому в случае пропажи напряжения в сети, установленные настройки времени сбиваются.

Электромагнитные. Их принцип работы основан на воздействии магнитного поля, которое создается током в статической обмотке, на имеющийся в конструкции якорь. Такое оборудование реагирует на значение тока подаваемого на обмотку. Электромагнитные релe бывают двух разновидностей: переменного и постоянного тока.

Релe переменного тока срабатывает при подаче на его обмотку переменного тока определенной установленной частоты. Подобные виды релe производится со средним током нагрузки до 320А и напряжением до 1,6 кВ. Устройства данного типа широко применяются на промышленном оборудовании, а также на некоторых разновидностях бытовой техники. Их можно встретить в конструкции медицинского оборудования, холодильников, телевизоров, и практически любой бытовой техники. Самые мощные устройства применяются на промышленных станках.

Релe постоянно тока предназначено для работы в сетях с постоянным напряжением. Такие устройства могут быть нейтральными или поляризованными. Якорь поляризованных релe меняет направление своего движения в зависимости от полюсов питания. Нейтральные устройства не зависят от полярности напряжения.

Коммутаторы приоритета. Такие виды реле управляют подключением потребителей тока и реагируют на чрезмерное увеличение нагрузки. В результате устройство отключает менее необходимые потребители. Таким образом, применение таких систем позволяет не обесточивать всю цепь. Подобные устройства выпускаются как для промышленных, так и бытовых нужд. Бытовые релe приоритета монтируется на DIN-рейку в электрощитке дома или квартиры.

К нему подключается сразу две или более электролинии для питания розеток или оборудования. Одна из них является приоритетной. При чрезмерном потреблении энергии, объем которого является опасным для электропроводки, устройство отключит неприоритетные цепи потребления, тем самым уменьшив нагрузку. В том же случае когда релe приоритета не применяется, то срабатывает автоматический выключатель, который обеспечивает всю систему.

Реле - это управляемые переклю­чатели Простейшее реле состоит из ка­тушки и сердечника-катушка втягивает сердечник, когда по ней протекает ток достаточной величины Промышленность выпускает различные по конструкции ти­пы реле, среди них можно выделить реле «защелки» и реле «ступенчатого» типа (шаговые искатели). Последние послужи­ли основой создания телефонных станции а сейчас они широко используются в иг­ральных автоматах Промышленность выпускает реле постоянного и перемен­ного тока и для значений напряжения на катушке от 5 до 110 В Для быстро­действующих схем (1 мс) предназначены ртутные и язычковые реле, специальные мощные реле используются в электро­питании; они работают с токами дости­гающими нескольких тысяч ампер. Там, где раньше использовали реле, теперь часто прибегают к помощи полевых тран­зисторов, а для напряжении переменного тока используют так называемые реле на твердом теле. Основное назначение реле состоит в дистанционном переключении электрических цепей и в переключении высоковольтных линий. В связи с тем, что электрические схемы должны быть изоли­рованы от линий питающего напряжения переменного тока, реле используют для переключения питающих напряжений переменного тока, при этом управляющие сигналы должны быть изолированы.

Вопрос 3. Разъемы.

Разъем представляет собой неотъемлемую (и, как правило, самую ненадежную) часть любого электронного аппарата. Функции разъема состоят в подаче сигналов на вход прибора и пере­даче их с его выходов на другие схемы, в передаче сигналов и питания постоян­ного тока между различными узлами схе­мы прибора. Благодаря разъемам можно заменять в прибора: отдельные печатные платы и целые модули, обеспечивая тем самым гибкость схемной реализации электронного оборудования. Промыш­ленность выпускает самые разнообразные разъемы, различающиеся по форме и размерам

Штеккерны разъёмы. Простейший разъем (однополюсная вилка с гнездом) представляет собой штырьевой или плос­кий («банановый») контакт и использу­ется в универсальных измерительных приборах, источниках питания и т. П. Такие разъемы легко достать, они недо­роги, но, пожалуй, не так полезны на практике, как коаксиальные разъёмы для экранированного кабеля или многокон­тактные разъемы. Разновидностью прос­тейшего разъема является зажим («кроко­дил»), который известен в основном тем, что им неудобно пользоваться.

Разъемы для экранированных кабелей. Для предотвращения емкостной связи, а также по ряду других причин, желательно осущест­влять передачу сигнала от одного при­бора к другому по экранированному коаксиальному кабелю Наиболее рас­пространены цилиндрические разъемы (типа ВNС), которые устанавливают на передней панели приборов. Сочленение частей разъема осуществляется при по­мощи резьбового соединения путем пово­рота на 90°, при этом замыкается как экранирующая цепь (земля), так и цепь сигнала. Этот разъем, как и всякий дру­гой, служит для подключения к прибору кабеля, поэтому он состоит из двух сочле­няющихся частей, одна из которых уста­навливается на панели прибора, а другая присоединяется к кабелю.

К этому семейству разъемов для коак­сиальных кабелей относятся: разъемы ти­па ТNС (ближайший родственник разъема типа ВNС, но с резьбой на корпусе), хороший, но громоздкий разъем типа N, миниатюрный разъем типа SМА, субми­ниатюрный разъем типа LЕМО и SМС, и разъем типа МНV, представляющий собой разновидность разъема типа ВNС, предназначенную для высоковольтных цепей. Так называемый граммофонный разъем, используемый в схемах звуковых частот, представляет собой яркий пример плохой конструкции - при соединении частей разъема сигнальная цепь замыка­ется раньше, чем экранирующая; более того, конструкция разъема такова, что и экранирующая, и центральная части разъема, как правило, обеспечивают пло­хой контакт. А результат плохого кон­такта вы без сомнения слышали! Чтобы не отстать, телевизионная промышлен­ность выпустила свой собственный пло­хой стандарт, «коаксиальный разъем» типа F в нем на штырь разъема, соеди­няемого с кабелем, выводится внешний провод коаксиального кабеля, и очень некачественно сделан экран на той части, которая устанавливается на панели при­бора.

Многоконтактные разъемы. Для элек­тронных приборов очень часто нужны многожильные кабели и соответственно многоконтактные разъемы. Промышлен­ность выпускает десятки типов таких разъемов. Простейшим является разъем для 3-жильного провода. К числу наибо­лее распространенных относятся также субминиатюрные разъемы типа D из се­рии разъемов Winchester МRА, уже давно испытанные и заслужившие доверие разъемы типа МS, а также разъемы для гибкого кабеля. Имейте в виду, что некоторые разъемы требуют осторожного обращения, например мини­атюрные шестиугольные разъемы, кото­рые нельзя ронять на пол, а в некоторых нет никакого приспособления фиксиру­ющего взаимное положение частей разъема (это относится, например, к разъемам серии Jones 300).

Торцевые разъемы для печатных плат. Для печатных плат чаще всего использу­ются торцевые разъемы, состоящие из гнезда и вилки с позолоченными штырьевыми контактами устанавливаемой на торце платы. Выпускаемые промышленностью торцевые разъемы имеют от 15 до 100 контактов и различное конструктив­ное оформление. Разъемы можно уста­навливать на специальной плате, печат­ный монтаж которой обеспечивает соеди­нение отдельных печатных плат устройст­ва.

В схемах, состоящих всего из несколь­ких печатных плат, могут потребоваться вилки разъемов для печатных плат и гнезда кабельных разъемов.

   Более подробно рассмотрим разъемы для прямых межплатных соединений одного из мировых лидеров производства электромеханических изделий — компании TE Connectivity. Даны пояснения, как в этих изделиях достигается высокий уровень технических характеристик

Современные электронные системы отличаются высокой структурной сложностью. Растущие требования к уменьшению габаритов, повышению функциональности и скорости обработки данных приводят к большому числу внутренних соединений, плотность которых становится все больше. А как известно, чем сложнее система, тем труднее обеспечить ее надежность. Именно поэтому одним из важнейших факторов обеспечения конкурентоспособности и высокого качества электронной аппаратуры становится правильный выбор надежных разъемов. Ведь отказ электрического соединения может свести на нет все преимущества самых передовых и дорогих схемотехнических решений.

       Разъем — это изделие электромеханическое, а значит, по своей природе он сочетает в себе целый ряд факторов, влияющих на надежное функционирование: от обеспечения физического контакта в условиях механических воздействий и возможности многократных циклов сочленения до вопросов чисто электрического характера, таких как перекрестные помехи, электрическое сопротивление контакта, емкостные и индуктивные характеристики и прочее.

    Кроме того, современные технологии сборки электронных устройств накладывают дополнительные требования на технологичность. Так, например, в определенных задачах, когда плата собирается по технологии поверхностного монтажа, бывает важно обеспечить монтаж разъемов в рамках того же сборочного процесса, поскольку последующий монтаж разъемов в отверстия может оказаться «узким местом», требующим дополнительных временных затрат и ручного труда.

При выборе разъемов следует учитывать все факторы, и в современных условиях принятию правильного решения может оказать существенную помощь компетенция передовых производителей разъемов, учитывающих в своих разработках требования мировой электронной промышленности.вариантов обеспечения коммутации между платами.

Прежде всего, соединения могут быть разъемными и неразъемными. Плата может монтироваться на другую плату с помощью пайки как модуль. Также в современных изделиях все большую популярность приобретают решения на основе гибких и гибко-жестких плат, которые обеспечивают высокую надежность и технологичность на этапе сборки. Однако гибкие платы накладывают ряд ограничений на монтаж, а гибко-жесткие решения остаются достаточно дорогими. Разъемные соединения между платами можно разделить на непосредственные (прямые) и соединения с помощью «посредника» — провода, жгута или кабеля.

Если конструкция позволяет, предпочтительным является первый вариант, поскольку чем меньше в изделии разъемных контактов, тем оно надежнее. Однако это не всегда возможно, например, если платы находятся на некотором расстоянии друг от друга, или их взаимное расположение меняется (при открывании дверцы, на которой закреплена плата индикации лицевой панели, и т.д.).

В качестве «посредника» могут применяться различные решения, и их соединение с разъемом тоже может быть различным. Например, могут применяться паяемые или обжимаемые дискретные провода; провода или плоские шлейфы, монтируемые путем прокалывания изоляции (например, метод IDC — Insulation Displacement Connector, разъем с «вытеснением» изоляции), плоские печатные кабели, микроминиатюрные коаксиальные кабели.

Прямые соединения, о которых пойдет речь далее, классифицируют по взаимному расположению соединяемых плат.

Копланарное соединение — платы располагаются в одной или в параллельных плоскостях, и сочленение производится также в параллельной плоскости.

Соединение под прямым углом — платы располагаются в перпендикулярных плоскостях. Такие соединения чаще всего требуются при установке карт (или ячеек) в материнскую плату (или коммутационную панель). Их подразделяют на соединения с задней панелью (backplane) и с панелью с двусторонним расположением плат (midplane, средняя панель).

Мезонинное соединение — платы располагаются параллельно друг другу, но, в отличие от первого варианта, сочленение производится в направлении, перпендикулярном плоскости платы. Иными словами, одна плата устанавливается на другую сверху. Возможен вариант с установкой нескольких плат одна над другой.

Разъем для межплатного соединения может состоять из двух частей, каждая из которых устанавливается на одну из соединяемых плат, либо только из одной части, если роль второй части разъема играют краевые контакты, выполняемые непосредственно на плате. В зависимости от конструкции соединений используются различные конфигурации разъемов. Сами разъемы могут быть прямыми или угловыми (иметь прямой угол). Обе части мезонинных разъемов всегда прямые. При компланарном соединении, как правило, используются два угловых разъема, но встречаются решения с прямыми разъемами, устанавливаемыми на край платы. При соединении под прямым углом обычно на панель (материнскую плату) устанавливается прямой разъем, а на карту — угловой, либо используется краевой разъем.

В некоторых изделиях с критичными габаритами (например, в ноутбуках) применяются наклонные разъемы с углом, отличным от прямого. Монтаж разъема на плату также может выполняться различными способами: пайкой в отверстия, запрессовкой, методом поверхностного монтажа, методом прижима и др.  Пайка в отверстия — традиционный метод, обеспечивающий высокую надежность, однако обладающий сравнительно низкой технологичностью. Поверхностный монтаж — высокотехнологичный метод, одновременно обеспечивающий миниатюризацию. Для автоматизации монтажа, учитывая сложную геометрическую форму разъемов, часто применяется специальный съемный элемент, установленный на разъем изготовителем, который обеспечивает плоскость для захвата разъема монтажной головкой и снимается после монтажа.

Требования к разъемам. В данной статье мы рассмотрим два типа межплатных разъемов, которые относятся, соответственно, к сигнальным разъемам и разъемам общего назначения. Сигнальные разъемы в современных устройствах должны, в первую очередь, обеспечивать высокий уровень целостности сигнала. Это значит, что основные электрические требования, предъявляемые к ним, включают малое сопротивление контакта и малые перекрестные помехи, что часто достигается особым распределением сигналов по контактам и применением экранов в конструкции разъемов. Кроме того, современные сигнальные разъемы вычислительной и телекоммуникационной техники должны иметь малые размеры и высокую плотность контактов.

Остальные требования, такие как диэлектрическая прочность, рабочее напряжение, допустимый ток, число циклов сочленения и др., для сигнальных разъемов не так важны. Однако следует учитывать, что иногда сигнальные контакты используются для низковольтного питания, причем в современных изделиях токовая нагрузка может быть значительной, поэтому допустимый ток на контакт в этом случае становится важным параметром. Разъемы общего применения в основном используются в неответственных узлах для передачи сигналов небольшой скорости и для низковольтного питания. У таких разъемов трудно выделить основные характеристики, скорее их параметры должны быть хорошо сбалансированы. При выборе таких разъемов может оказаться критичным и выдерживаемое диэлектриком напряжение, и ток на контакт, и число циклов сочленения, и контактное сопротивление. Размеры разъема также должны находиться в балансе с его стоимостью, технологичностью его монтажа и надежностью. В условиях расширяющегося применения бессвинцовых процессов пайки, в том числе – в отечественном производстве, одним из важнейших параметров становится способность корпуса выдерживать высокие температуры пайки с применением бессвинцовых припоев.