Узлы функциональной электроники

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:

V активные ( п/п приборы и электровакуумные );

V пассивные:

V общего применения ( резисторы, конденсаторы и пр.)

V 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:

V контактные – используют механическое соприкосновение двух

контактных деталей;

V 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 (Rпер ) – одна из основных характеристик контакта

( чем меньше, тем лучше ).

Появление переходного сопротивления объясняется ( Rпер ):

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:

Sреал.>Sперв.

Площадь контакта меньше реальной площади поперечного сечения.

2. На поверхностях контактирующих деталей появляются пленки. Причины их

возникновения:

V атомарный кислород оседает, образуя пленку;

V за счет соединения O2 и металла – окисные пленки;

Существуют пассивирующие и рыхлые пленки. Рыхлые пленки могут

существенно влиять на Rпер.. Чем больше температура, тем больше

скорость роста пленки, но при достижении некоторой температуры

пленка разрушается.

серебро …………… t пл.=150 (C

алюминий…………tпл.=3000 (С

V осаждение пленки воды – оказывает малое влияние на Rпер., но при

замерзании воды могут возникнуть пленки льда, а это уже

диэлектрик.

V 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.

[pic]

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 ).

RV1 – сопротивление шероховатостей;

Rст1 – сопротивление стягивания;

Rпл1 – сопротивление пленки.

В среднем можно считать переходное сопротивление по упрошенной

формуле:

[pic], где

( - удельное сопротивление материала контакта;

. - коэффициент Пуассона ( механическая характеристика );

E – модуль упругости материала;

Q – усилие контактного нажатия;

hв – средняя высота выступа.

Статическая нестабильность переходного сопротивления –

среднеквадратическое отклонение. Характеристикой контактного устройства

является динамическая нестабильность – показывает степень изменения Rпер

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 (инд. и (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 Uh< 1500 В и f 40 грамм.

Система обозначений.

Обозначение реле делится на несколько блоков:

. Буква Р – реле

. Принцип действия.

Э - электромагнитное;

П – поляризованное;

Г – герконовое;

. Буква

К – низкочастотное;

А – высокочастотное;

. Порядковый номер разработки.

Пример – РЭК- 20.

Преимущества электромагнитного реле:

Большой диапазон коммутируемых токов и напряжений. Малое переходное

сопротивление в замкнутом состоянии. Очень высокое сопротивление между

контактами в разомкнутом состоянии .Хорошие электроизоляционные свойства.

Недостатки:

Малое быстродействие.

Низкая чувствительность, наличие дребезга контактов.

Магнитоуправляемое (герконовое)реле – магнитоуправляемое реле представляет

собой катушку с герконом.

Геркон – балон с вакуумом ( или может быть наполнен спец. газом) с

контактами изготовленными из пермаллоя.Поверхности контактов покрывают

золотом или серебром.

Различают сухие герконы и жидкостные.

Жидкостный геркон -

Недостатки жидкостного геркона:

- нельзя поворачивать геркон на угол больше 300.

- При низких температурах Т<300С ртуть замерзает.

Различают герконы:

- Замыкающие;

- Размыкающие;

- Переключающие;

По габаритам герконы делят:

- Длина баллона 50мм. – стандартные;

- 36мм.- промежуточные;

- 20мм. – миниатюрные;

- 10мм. – сверхминиатюрные;

Герсикон – герметичный силовой контакт. В баллон герсикона вмонтирована

магнитная система, связанная с внешним электромагнитом. У герсиконов

меньшее переходное сопротивление.

Система обозначения герконов.

1. МК – магнитный контакт.

2. А – замыкающий;

В – размыкающий;

С – переключающий;

3. Р – ртутный (если в обозначении геркона эта буква не указана , то геркон

сухой)

4. Длина l геркона в мм.

5. Две цифры (в обозначении могут быть указаны любые две):

1- малой и средней мощности;

2- повышенной мощности;

3- мощный геркон;

4- высоковольтный геркон;

5- высокочастотный;

6- геркон с памятью;

Достоинства магнитоуправляемых реле:

Повышенное быстродействие;

Повышенный срок службы;

Очень малое(стабильное) Rперех – у жидкостных герконов;

Недостатки:

Большее и менее стабильное Rперех - у сухих герконов;

Меньшие возможности по диапазону коммутируемых токов и напряжений;

Чувствительность к внешним магнитным полям;

Магнитодинамические реле.

Принцип действия:

Для переключения реле необходимо воздействовать магнитным полем на

каплю ртути, и из-за тока проходящему по среднему управляющему выводу.

Направление перемещения капли зависит от направления тока или магнитного

поля. Объем ртути должен быть небольшим.

Достоинства:

V очень стабильное и малое R пер.;

V нет ограничений по числу коммутаций.

Недостатки:

V не работает при температуре ниже -35( С;

V гальваническая связь между входной и выходной цепью;

V ограничение по коммутируемой мощности ( зависит от объёма капли

ртути ).

Электростатические реле.

Принцип действия:

Принцип действия основан на использовании кулоновских сил, которые

обеспечивают притяжение подвижного электрода с мембраной к неподвижному.

Достоинства:

V малые габариты;

V высокое быстродействие;

V гальваническая развязка.

Недостатки:

V высокое R пер. ( из плохого контактного нажатия );

V ограничение по коммутируемым мощностям.

Электромагнитострикционные реле

Принцип действия:

Принцип действия основан на явлениях магнито- или электрострикций, то

есть способности материалов изменять свой размеры под воздействием

магнитных или электрических полей.

Достоинства схожи с электромагнитными реле, и так же наличие

контактной группы.

Недостатки:

V низкая чувствительность;

V повышенная инерционность;

V необходимость наличия сильных магнитных или электрических полей.

Электротепловые реле.

Принцип действия:

Основан принцип действия на различных ТКЛР металлов в системе

биметаллической пластины.

Используются в качестве:

1. датчика температуры;

2. реле времени ( из-за высокой инерционности );

3. обычное реле;

4. устройство зашиты от перегрузок.

Достоинства:

V многофункциональность;

V малая стоимость.

Недостатки:

V малое быстродействие;

V малый диапазон выдержки времени ( около 30с. );

V малая точность времени.

Электронные реле.

Это обычный электронный ключ, например на транзисторах ( различают:

биполярные, полевые, КМОП и МОП структуры ).

На КМОП-структуре:

На биполярном транзисторе:

Достоинства:

V полная ( функциональная, конструктивная ) совместимость с

интегральными схемами;

V высокое быстродействие;

V отсутствие дребезга контактов;

V высокая чувствительность.

Недостатки:

V отсутствие гальванической развязки между входом и выходом;

V ограничения по коммутируемым мощностям;

V не достаточно низкое сопротивление в замкнутом состоянии;

V не достаточно высокое сопротивление в разомкнутом состоянии;

V восприимчивость к спец. факторам ( (-, (-излучениям и пр. ).

Оптоэлектронные реле.

Оптоэлектронным реле называют оптроном или оптоэлектронной парой.

Представляют собой 3-и системы:

1. преобразует электрический ток в световое излучение -

светоизлучатель;

2. передающая система – для передачи света;

3. обратное преобразование светового потока в электрический сигнал

– фотоприемник.

В качестве светоизлучателей используют:

V электролюминисцентные конденсаторы;

V светодиоды;

V сверхминиатюрные лампы накаливания.

Для светодиодов справедливо следующее:

[pic], где

h – постоянная Планка;

c – скорость света;

( E – ширина запрещенной зоны полупроводника.

Длина волны видимого света от 0,45мкм. до 0,68мкм., более 0,9мкм.

инфракрасное излучение.

Передающая система – вспомогательная система. Должна быть

высокопрозрачной, с хорошей адгезией к материалам свето- приемника и

излучателя, а также равенство ТКЛР и хорошие диэлектрические свойства.

Применяют прозрачные клеи и лаки.

Исполнительная система. По ней различают типы оптопар:

V диодные;

V резисторные;

V транзисторные;

V однопереходные транзисторы;

V тиристорные оптопары.

Резисторная оптопара.

Используется полупроводниковый фоторезистор – это селенид кадмия,

сернистый кадмий. Их сопротивление падает при излучении на них света. Для

диапазона ИК-лучей используют PbS или PbSe. Недостаток – это зависимость от

температуры сопротивления. Достоинства – возможность работать на переменном

токе.

Для излучателей используют сверхминиатюрные лампы накаливания (

оптопара ОЭП-1 ), электролюминисцентные конденсаторы ( оптопара ОЭП-8 ) и

светодиоды ( оптопара ОЭП-7, ОЭП-6 ( с ИК диодом)).

tвкл. (200 мс tвкл. (600 мс tвкл. (120 мс

Диодная оптопара.

Используются полупроводниковые диоды в фотодиодном режиме, либо

фотогенераторном режиме. Наибольшим быстродействием обладают p-i-n диоды (

очень малое время включения ).

В качестве излучателя используется фотодиод.

АОД-101 ( tвкл. =1мкс)

На p-i-n диоде tвкл. (1мкс

Транзисторные оптопары.

В качестве излучателей используется ИК-диоды, но можно использовать и

обычный свет.

АОТ-123 ( tвкл. (2мкс)

Тиристорные оптопары.

Для выключения прибора приходится коммутировать выходную цепь, из-за

лавинного образования электронов.

tвкл. (10 мкс

АОУ-103

На основе однопереходных транзисторов ( двухбазовый диод )

Облучается эмиттер. И его можно использовать в различных режимах

работы ( фотодиодный, однопереходный транзистор и пр. ).

АОТ-102 (tвкл. (5мкс )

Оптопары с открытым каналом.

Бывают с прямым прохождением света или с отражением света.

Достоинства оптоэлектронных реле:

V полная гальваническая развязка между входом и выходом;

V высокая чувствительность;

V высокое быстродействие;

V «полная» совместимость с интегральными схемами.

Недостатки такие же, как и у электронных реле.

Гальваномагнитные реле.

Используют для коммутации либо эффект Холла, либо эффект Гаусса.

Достоинства:

V бесконтактного реле;

V малые габариты.

Недостатки:

V восприимчивость к спец. факторам;

V критичность к температурным воздействиям.

Электретные реле.

Здесь в качестве диэлектрика в конденсаторе используется тонкая пленка

электрета ( пленка из фторопласта ). Величина тока в цепи будет зависеть от

скорости перемещения подвижной обкладки.

Это бесконтактное реле, не потребляет тока, отсутствие дребезга

контактов. Недостатки: восприимчивость к воздействию спец. факторов. Эти

устройства имеют механическое управление ( или дистанционное ).

Магнитные реле - в простейшем случае это двух обмоточный трансформатор

(сердечник может быть выполнен из ферромагнитного материала).

При подаче напряжения на вход появляется напряжение на выходе .Обычно

работает на переменном токе.

Достоинства:

Полная гальваническая развязка.

Неограниченное число коммутаций.

Недостаток:

Большие габариты.

Пьезоэлектрические реле – работа основана на том, что при деформации

некоторых материалов возникает ЭДС, она и будет выходным сигналом.

Недостаток:

Необходимость приложения больших усилий, для вызова ЭДС. Для появления ЭДС

= 1В необходимо приложить усилие равную 100 Н.

Криотронные реле – используют свойство некоторых материалов при низкой

температуре переходить в состояние сверх проводимости и выходить из этого

состояния под действием магнитного поля, при этом не изменяя температуры.

Достоинства:

Очень низкое сопротивление в замкнутом состоянии.

Недостаток:

Не очень высокое сопротивление в разомкнутом состоянии.

Необходимость наличия охлаждающей жидкости.

Халькогенидные реле – в таких реле используются халькогенидные стекла.

Эти материалы резко изменяют свои свойства под действием электрического и

магнитного поля.

Оптические реле – такие коммутационные устройства используются для

коммутации световых сигналов. Все такие устройства можно разделить на:

- устройства оптоэлектронного типа (в процессе коммутации используется

преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, а затем

обратное преобразование);

- оптические устройства (прямая коммутация оптического сигнала);

Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Резисторы.

1. Резистор – элемент электронной аппаратуры, предназначенный для создания

в электрической цепи заданной величины активного сопротивления.

(в нем электрическая энергия преобразуется в тепловую и рассеивается).

Классификация резисторов.

1. По постоянству значения сопротивления.

а). Постоянные (сопротивление не меняется);

В свою очередь постоянные делятся на:

- Общего применения:

- Прецизионные;

- Высокочастотные;

- Высоковольтные;

Страницы: 1, 2, 3