Проектирование переключателя для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3. РАСЧЕТ КНОПКИ
3.1 Выбор материала для контактов
3.2 Электрический и конструктивный расчет кнопки
3.2.1 Определение контактного усилия и переходного
сопротивления
3.2.2 Определение температуры локального перегрева
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Повышение качества выпускаемой продукции, снижение
затрат на её производство, повышение срока службы и надёжности выпускаемых
изделий, рациональное использование материалов, дальнейшее развитие унификации
и нормализации являются основными задачами современной радиоэлектронной
промышленности. Это тесно связано с повышением качественных показателей
составляющих их электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Поэтому вопросы проектирования и
рационального использования этих элементов очень важны для разработчиков
радиоэлектронной аппаратуры.
Практически все исполнительные системы, в том числе и
радиоэлектронные, содержат различные элементы коммутации. Их функциональные
возможности обусловили широкое применение таких элементов в системах: автоматики
и телемеханики; сигнализации; контроля и защиты; распределения электрической
энергии; коммутации линий связи и передачи информации; резервирования и
сопряжение устройств, работающих на различных принципах действия или
энергетических уровнях; дистанционного управления исполнительными устройствами,
а так же в системах ручного управления электронных аппаратов (ЭА). С ростом
уровня автоматизации и функциональным усложнением ЭА непрерывно возрастает
число применяемых коммутационных устройств и возрастает ответственность
выполняемых ими функций.
Разнообразие требований, возникающих в процессе
проектирования современных ЭА, привело к появлению большого числа
разновидностей коммутационных устройств, различающихся по назначению, принципу
действия, конструктивному исполнению, схемотехническим параметрам и другим
признакам, определяющим их технические возможности и область применения.
Развитие каждой разновидности коммутационных устройств отражает непрерывное
повышение требований к их эксплуатационным и функциональным параметрам. Общие
требования сводятся к снижению энергии, используемой для управления, увеличению
быстродействия, улучшению качества коммутации (недопустимость вибрации
контактов, формирование импульсов с крутыми фронтом и срезом и т.п.), повышению
надёжности, обеспечению конструктивно-параметрической совместимости с другими
элементами ЭА.
Данный курсовой проект
посвящен разработке кнопки, которая предназначена для коммутации электрических
цепей постоянного и переменного тока низкой частоты. В ходе выполнения проекта
на основе анализа требований технического задания, обзора аналогичных
конструкций сформулированы дополнительные требования к будущему изделию и
произведен выбор направления проектирования. Произведен расчет кнопки , выполнена
эскизная проработка ее элементов и разработана общая конструкция изделия. Все
принятые конструкторские решения подкреплены соответствующими расчетами.
1. АНАЛИЗ
ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Кнопка предназначена
для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока низкой
частоты в стационарных электронных аппаратах и относится к коммутационным
устройствам ручного управления.
Согласно техническому заданию кнопка должна обеспечивать
замыкание при следующих характеристиках:
-
коммутируемое
напряжение до 30 В;
-
коммутируемый ток
до 4 А;
-
количество цепей 2.
Исходя из этих
параметров, нужно обеспечить надёжную изоляцию между контактными парами, а
также корпусом.
Кнопка предназначена
для эксплуатации в различной аппаратуре, то есть в помещениях и на открытом
пространстве. Климатическое исполнение кнопки должно соответствовать категории
УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, что предполагает 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%,
- атмосферное давление
воздуха окружающей среды: 86-104 кПа.
Данные условия
эксплуатации не предусматривают необходимости в особых конструктивных мерах по
защите изделия от воздействий факторов внешней среды.
Габариты и масса
разрабатываемой кнопки должны быть незначительные, что обусловлено не большими
рабочими значениями коммутируемых токов и рабочих напряжений.
Запланированная программа
выпуска 5000 шт. в год обусловливает изготовление кнопки в условиях
мелкосерийного производства. При этом ее конструкция должна быть не сложной,
выполнена с учетом типовых технологических операций и при ее изготовлении
должен быть использован распространенный сортамент конструкционных материалов
[2].Также необходимо обеспечить минимальную стоимость изделия.
Таким образом использование при производстве кнопки операций
типового технологического процесса изготовления призвано увеличить
экономический эффект и снизить себестоимость производства.
2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР
НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рассмотрим общие тенденции развития и существующие
конструктивные решения относительно коммутационных устройств с ручным
управлением.
Коммутационные устройства ручного управления
предназначены для коммутации электрических цепей с помощью ручного привода. В
зависимости от способа управления приводным механизмом они подразделяются на
следующие группы [2]:
- нажимные (кнопочные);
- перекидные (тумблеры);
- поворотные (галетные и барабанные);
- движковые.
Каждый из способов управления имеет свои преимущества
и недостатки. Например, с точки зрения оперативности (быстродействия) и удобства
работы оператора предпочтение отдаётся нажимному способу управления. Однако при
этом способе управления усложняются устройства надёжной фиксации кнопок в
определённых положениях. В настоящее время более или менее чёткая фиксация
обеспечивается не более чем в двух положениях, что является недостатком
нажимного управления. Кроме того, для индикации фиксированного положения кнопок
нужны специальные индикаторы и защита от случайного нажатия.
При перекидном способе управления в тумблерах
обеспечивается более надёжная фиксация положения приводного механизма, а
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 трёх).
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 надёжная фиксация
переключателя обеспечивается в двух положениях. Применяются движковые
переключатели в аппаратуре, у которой выступающая часть приводного механизма
должна быть малой.
Коммутационные устройства ручного управления бывают,
как мгновенного действия, когда скорость их перехода из одного состояния в
другое практически не зависит от скорости перемещения привода, так и обычного.
К коммутационным устройствам мгновенного действия относятся кнопки и
микротумблеры на базе микропереключателей.
В зависимости от степени защищённости от факторов
окружающей среды коммутационные устройства ручного управления бывают:
- пылебрызгозащищенные;
- герметические;
- с применением герконов и др.
Для нормальных условий эксплуатации применяются
обычные конструктивные меры обеспечения работоспособности.
Коммутационные устройства ручного управления в
зависимости от рабочей частоты подразделяются на:
- низкочастотные;
- высокочастотные.
Рабочая частота определяет номенклатуру материалов,
использующихся для изготовления переключателей, зазоры и размещение токоведущих
элементов в конструкции.
К основным, контролируемым при проектировании,
параметрам коммутационных устройств ручного управления относятся [3]:
-
усилие или момент
переключения;
-
число положений
переключения;
-
способ фиксации;
-
диапазон
коммутируемых напряжений;
-
диапазон
коммутируемых токов;
-
максимальная
коммутируемая мощность;
-
сопротивление
электрических контактов;
-
максимальное
число переключений;
-
сопротивление
изоляции;
-
электрическая
прочность изоляции;
-
ёмкость между
соседними контактами;
-
диапазон
окружающей температуры;
-
диапазон
атмосферного давления;
-
вибро- и
ударостойкость;
-
габаритные масса
и размеры и др.
На основании
вышесказанного для проектируемой кнопки в качестве способа управления приводным
механизмом выбираем нажимный способ. Достоинством кнопок является их быстродействие
и удобство работы оператора.
3. РАСЧЕТ КНОПКИ
3.1 Выбор материала
для контактов
Согласно рекомендациям
[5], контактные материалы должны обладать относительно невысоким модулем
упругости, высокой коррозионной стойкостью при различных климатических
воздействиях и относительно небольшим удельным электрическим сопротивлением.
Так как одной из задач
конструирования изделия является обеспечение минимальной стоимости, то
целесообразно в данном случае применить конструкционный материал - бронзу
бериллиевую БрБ2 ГОСТ 18175-78;
Бронза бериллиевая БрБ2
содержит 1,8-2,2% бериллия, 0,2-0,5% никеля, 0,5% примесей, остальное медь.
Обладает хорошими упругими, механическими и антикоррозионными свойствами, более
высоким сопротивлением усталости, высокой твёрдостью и электропроводностью по
сравнению с другими бронзами, антимагнитна. Применяется для работы в магнитных
и электрических полях и в агрессивных средах при нормальной температуре.
Для обеспечения
оптимальных контактных свойств используем электролитическое покрытие серебром (Ag).
Серебро обладает высокой
электро- и теплопроводностью, хорошими технологическими свойствами. Технически
чистое серебро содержит 99,99% Ag,
остальное примеси, которые заметно снижают электропроводность. Недостатком
серебра является его нестойкость к сероводороду, присутствующему в атмосфере
больших городов и болотистых местностей. Однако окисление серебра под действием
сероводорода образует столь тонкую пленку, что она легко разрушается трением
при соединении и разъединении контактов.
3.2 Электрический и конструктивный расчет кнопки
3.2.1 Определение контактного усилия и переходного
сопротивления
После выбора материала определяют необходимое
контактное усилие Fk ,которое
определяется по формуле (3.1) согласно известной методики[5]:
(3.1)
где Е – модуль упругости (кгс/мм);
h –высота выступов;
- приведенные удельные
сопротивления материалов, из которых выполнены контактные элементы;
,
- удельное электрическое сопротивление
материалов контактных элементов для серебра и бронзы соответственно.
-
коэффициент Пуассона;
RП – контактное переходное сопротивление
При расчете контактных
усилий рекомендуется исходить из максимально допустимого падения напряжения U(В) на контакте, при котором температура последнего
достигает такого значения , когда его механические свойства начинают резко
падать. Опытное значение величины падения напряжения [4] для серебра равно U=0,8-0,1(В).
Определим допустимое
падение напряжения на контакте по формуле:
U= ; (3.2)
Получим
U ==0,03В.
Зная величину
максимального тока I=4A, проходящую через контакт определим величину контактного
переходного сопротивления RП согласно[2]:
(3.3)
Имеем
R=Ом;
Подставив рассчитанные
данные в формулу (3.1) получим:
.
Таблица 3.1 – Основные характеристики материалов
Марка материала
|
r, мкОм×см
|
Е, кгс/мм2
|
HB
|
,мкм
|
m
|
Бронза БрБ2
|
7
|
1,25×104
|
25
|
0,05
|
0,3
|
Серебро(Ag)
|
1,6
|
1×104
|
_
|
0,05
|
0,3
|
3.2.2 Определение
температуры локального перегрева
Определим температуру локального перегрева исходя из
формулы(3.4).
,
(3.4)
где r – удельное электрическое
сопротивление тела контакта;
l – теплопроводность материала контактов;
Rп
– переходное сопротивление;
I – ток
проходящий через контакт.
Таблица 3.2 – Исходные данные для теплового расчета
Материал
|
r, мкОм×см
|
I, А
|
Rп, Ом
|
λ, Вт/мм∙°С
|
Бронза БрБ2
|
7
|
4
|
0,0075
|
0,84
|
Серебро(Ag)
|
1,6
|
4
|
0,0075
|
4,18
|
Оценим температуру локального перегрева для бронзы
БрБ2:
Оценим температуру локального перегрева для серебра :
(°С).
Полученные значения
перегрева обеспечивают значительную температурную стабильность контакта, т.е.
протекающий ток не вызывает изменение параметров перехода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте, согласно требованиям технического
задания, был спроектирована кнопка , предназначенная для коммутации
электрических цепей постоянного и переменного тока низкой частоты .
В ходе выполнения проекта произведены: выбор
конструкционных материалов, необходимые расчеты конструктивных, электрических,
механических и тепловых параметров изделия. Конструкция отработана на
технологичность с учетом ее предполагаемого выпуска в условиях мелкосерийного
производства.
Достоинствами конструкции разработанной кнопки являются
– малые габариты, хорошие электрические характеристики, технологичность и
относительная простота. Изделие имеет хорошие экономические показатели, т.к.
имеет низкую себестоимость (в конструкции нет дорогостоящих материалов).
Спроектированная конструкция кнопки полностью отвечает
требованиям технического задания и современным требованиям к подобного класса
функциональным элементам.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
ГОСТ 15150-69.
Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнение для различных
климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и
транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
2.
Рычина Т.А.
Электрорадиоэлементы. – М.: Сов. радио, 1979.-336 с.
3.
Белоусов А.К. Электрические
разъёмные контакты в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-е перераб. и доп. -
М.: Энергия, 2005.
4.
А.Л.Харинский .Основы
конструирования элементов радиоаппаратуры.Изд.2-е перераб. и доп.-Л.:Энергия,2001.
– 464с.
5.
Свитенко В.Н.
Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов по
спец. "Конструирование и производство РЭА". – М.: Высш. шк., 2007. – 207 с.
6.
Левин А.П.
Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры (расчёт и
конструирование). - М.: "Сов. Радио", 1972. - 216 с.
7.Мальков М.Н.,Свитенко В.Н.Устройства функциональной
электроники и электрорадиоэлементы: Конспекты лекций.Часть II.-Х: ХИРЭ,
1992. – с.