Połączenia elektryczne a podzespoły stykowe.

1. Jakie są podstawowe funkcje podzespołów stykowych w sprzęcie elektronicznym?

Służą do przesyłania energii elektrycznej pomiędzy poszczególnymi elementami i podzespołami sprzętu. Istotą połączenia elektrycznego jest zbliżenie do siebie łączonych części na odległość umożliwiającą swobodny przepływ między nimi nośników ładunków elektrycznych.

2. Podać przykłady procentowe wartości udziału złącz w kosztach urządzeń powszechnego użytku, sprzęcie profesjonalnym i systemach lotniczych.

3. Części składowe złącza i elementy składowe tych części.

Złącze jest obecnie podstawowym podzespołem elektromechanicznym typu stykowego występującym w sprzęcie elektronicznym.

Składa się z:

• wtyku

• gniazda

Każda z nich zawiera:

• kontakty: elementy umożliwiające po złączeniu przesyłanie energii z jednego obwodu do drugiego.

• korpus izolacyjny, w którym umieszcza się kontakty, z określoną dokładnością geometryczną.

• elementy naprowadzające: stwarzające warunki geometryczne poprawnej współpracy kontaktów obejmujących i obejmowanych.

• elementy mocujące: umożliwiające mechaniczne zamocowanie współpracującego wtyku i gniazda złącza.

• elementy różne: eliminujące możliwość niewłaściwego złączenia złącza lub osłaniające przewody przymocowane do kontaktów.

4. Podać klasyfikacje złącz ze wzg. połączenie ze sobą modułów, zespołów i bloków urządzeń elektronicznych, oraz klasyfikację ze wzg. na wartość przesyłanej energii.

Rodzaje złączy:

• Modułowe- przeznaczone do łączenia modułów z modułami

• Kablowe - przeznaczone do łączenia zespołów i bloków pomiędzy sobą.

Zależnie od wartości przesyłanej energii złącza możemy podzielić na:

• Sygnałowe (mała lub wielka częstotliwość lub wysokich napięć)

• Zasilające

5. Charakterystyka złącz krawędziowych dla obwodów drukowanych.

W złączu krawędziowym wtyk stanowi krawędź płytki drukowanej z przyległymi do niej drukowanymi kontaktami obejmowanymi, wykonanymi częściowo w procesie obróbki płytki drukowanej.

Cechy:

• grubość współpracującej płytki drukowanej(dla każdej grubości potrzebne jest inne gniazdo, 1.5mm, 1.59 mm (1/16)cala )

• podziałka rozstawienia kontaktów (odległość między sąsiednimi kontaktami w tym samym rzędzie (5.00, 3.75, 2.50 mm lub 5.08, 3.81, 2.54 (calowe)

• liczba rzędów- w gnieździe tego złącza można umieścić jeden lub dwa rzędy.

6. Charakterystyka złącz pośrednich dla obwodów drukowanych.

W złączach pośrednich zarówno gniazdo jak i wtyk mają osobne korpusy. Wtyk umieszczony jest zwykle na krawędzi płytki drukowanej a gniazdo w konstrukcji nośnej sprzętu. Konstrukcja tego złącza nie zależy od grubości płytki.

Cechy:

• podziałka rozstawienia kontaktów w rzędzie (5.00 (metryczna), 5.089mm (calowa)

• liczba rzędów, w złączach tych można umieścić więcej niż dwa rzędy kontaktów. Czasami rzędy przesunięte względem siebie o pół działki.

7. Porównanie złącz powierzchniowych i pośrednich.

Złącza pośrednie mają większą niezawodność , są bardziej uniwersalne lecz jednocześnie droższe w porównaniu z krawędziowymi. Obecnie produkuje się złącza pośrednie z trzema rodzajami pokryć przystosowanymi do pracy:

• w najcięższych warunkach środowiskowych

• w warunkach przemysłowych

• w warunkach laboratoryjnych

W przypadku uszkodzenia wtyku modułu w złączu pośrednim wymienia się wtyk.

8. Charakterystyka złącz kablowych (okrągłych, szufladkowych, do kabli płaskich).

Złącza kablowe stosowane są w sprzęcie do łączenia wiązek przewodów stosowanych do przesyłania sygnałów i zasilania pomiędzy blokami.

1. Złącza okrągłe: stosowane są do zewnętrznego łączenia poszczególnych bloków lub zespołów sprzętu. Najczęściej stosowane są w sprzęcie lotniczym lub w rozbudowanych systemach elektronicznych. Sztywna konstrukcja i względna łatwość uszczelnienia kontaktów sprawiają że jest to najbardziej niezawodny rodzaj złącza kablowego.

2. Złącza szufladowe - ten rodzaj złącza stosowany jest zwykle do łączenia:

• wiązek przewodów

• wtykanych lub stałych zespołów elektronicznych

3. Złącza do kabli płaskich - łączenie płaskich kabli giętkich z innymi rodzajami okablowania:

Mamy 2 typy:

• złącza z wtykiem uformowanym przez wykorzystanie płaskiego kabla giętkiego

• przewody płaskiego kabla łączone są bezpośrednio z kontaktami wtyku lub gniazd; tu odpowiednio ukształtowane końcówki montażowe kontaktów przebijają izolację, łącząc się bezpośrednio z metalowymi ścieżkami

9. Charakterystyka złącz współosiowych

Złącza współosiowe wykorzystuje się do przesyłania sygnałów wielkiej częstotliwości przy minimalnych stratach energii. Stosowane są do łączenia przewodów linii transmisyjnej w sytuacjach gdy niezbędne jest dobre ekranowanie, mała pojemność i mała impedancja falowa linii.

10. Parametry katalogowe złączy (wymienić bez opisu).

Dane na podstawie katalogu ELFA

• maksymalny prąd

• rezystancji styków

• rezystancji izolacji

• zakres temperatur

• materiał styków

• materiał izolacyjny

11. Przykłady wymagalnych minimalnych sił nacisku na powierzchni styku dla stosowanych materiałów pokryciowych.

Minimalne naciski na powierzchni styku

Pokrycie	Nacisk
Złoto Pallad Rod Srebro	0.30 0.30 0.30 1.20

12. Jak zmienia się obciążalność prądowa styku złącza w funkcji temperatury?

Obciążalność określa dopuszczalną wartość prądu, który może być przewodzony w danej temperaturze. W temperaturach niższych obciążalność jest większa natomiast w miarę wzrostu temperatury obciążalność spada do zera.

Średnica kontaktu [mm]	Obciążalność dla 20 C
1.6 1.0 0.8 0.7	13 7.5 5 4

13. Co to jest trwałość złącza? Jakie wartości trwałości złącz modułowego i kablowego można przyjąć za wystarczające dla współczesnego sprzętu elektronicznego? Podać grubość wymaganej dodatkowej warstwy pokrycia złotem kontaktów złącza w przypadku zwiększania trwałości złącza o 100 złączeń.

Trwałość złącza wyraża liczbę złączeń wtyku z gniazdem w okresie eksploatacji sprzętu przy której zachowane zostają określone parametry złącza, do których należą:

• siła styku mierzona jako siła rozłączania

• rezystancja kontaktu

Najczęściej spotykaną wartością trwałości podawaną w wymaganiach jest 500 złączeń

Stosowanie zbyt dużej wartości pociąga za sobą niepotrzebne koszty. Dla współczesnego sprzętu wystarczające są złącza o trwałości 100 złączeń.

Złącza kablowe powinny mieć trwałość większą 500 - 5000 złączeń.

Jeśli zwiększymy trwałość o 100 złączeń wymaga to pokrycia dodatkową warstwą złota o grubości od 0.12 μm (kontakty miękkie) do 0.3 μm (kontakty twarde)

14. Scharakteryzować parametr: rezystancja połączenia stykowego i podać składowe tej rezystancji. Podać przykładową wartości tej rezystancji dla styku srebrnych o średnicy 1mm, oraz udział procentowy rezystancji styku w całkowitej rezystancji połączenia stykowego.

Rezystancja połączenia stykowego określa jakość złącza:

R = R_m + R_s = R_m + R_p + R_i [mΩ]

R - rezystancja połączenia stykowego

R_m - rezystancja metali występujących w PS

R_s - rezystancja styku

R_p - rezystancja przewężenia

R_i - rezystancja warstwy izolacyjnej

Rezystancja połączeń stykowych i styku dla okrągłych złączy kablowych

Złącza kablowe okrągłe	Metal pokrycia kontaktów	Średnica kontaktów [mm]	Rs	R	Udział Rs (%)
RS SzR SzR	Ag Au Pd Ag Ag Ag	1.0 1.0 1.0 1.5 2.5 3.5 5.5 9.0	0.68 0.64 1.46 0.28 0.22 0.16 0.11 0.078	1.7 1.7 2.5 1.4 0.68 0.35 0.19 0.11	39 38 58 19 32 46 58 71

15. Podać typy kontaktów obejmujących i porównać ich siły nacisku.

Kontakty możemy podzielić na:

• Szpilkowe, tulejkowe

• Wspornikowe, mieszkowe

• Kamertonowe

Kontakty możemy podzielić ze wzg zależność siły styku od ugięcia:

• kontakty miękkie - siła styku wzrasta w nich wolno, w miarę uginania ramienia stykowego (charakterystyka płaska, 1.5 N/mm)

• kontakty twarde - niewielkiemu ugięciu odpowiada znaczny przyrost siły styku (charakterystyka stroma, 4 N/mm).

16. Podać rodzaje mocowań złącz współpracujących ze sobą.

Mocowanie następuje na dwa sposoby:

• Sztywny

• wtykana część jest dokładnie prowadzona przez część osadzoną w konstrukcji

• prowadnice dokładnie naprowadzają współpracujące części

• kontakty współpracujących części są wlutowane w płytki drukowane

• Pływający

- współpracujące części osadzone są w różnych konstrukcjach nośnych wykonanych mało dokładnie.

17. Funkcje realizowane przez przełączniki. Charakterystyka ogólna przełączników. Jakie parametry obwodów elektronicznych należy uwzględniać przy wyborze przełączników mającymi pracować z tymi obwodami.

Przełączniki stosuje się do włączania i wyłączania napięć zasilających, do przełączania przebiegu sygnałów pomiędzy obwodami oraz do wprowadzania informacji. Przełączniki składają się z zespołu kontaktów stałych i ruchomych (zwierających).

Przy wyborze przełączników dla sprzętu elektronicznego uwzględnia się parametry obwodów, w których maja być zastosowane, są to:

• obciążalność prądowa

• indukcyjność obwodu

• częstotliwość przełączania

• warunki środowiskowe

oraz wymagania wymiarowe stawiane urządzeniu, jak:

• wielkość powierzchni płyty czołowej niezbędnej do umieszczania mechanizmu napędowego przełącznika i opisów oraz oznaczeń funkcji specjalnych przez układ w poszczególnych położeniach przełącznika.

• Objętość zajmowana przez przełącznik i związane z nim okablowanie poza płytą czołową urządzenia.

• Kształt i wymiary pokręteł oraz konieczność uszczelniania osi przełączników

18. Przełączniki obrotowe. Budowa, charakterystyka elektryczna, trwałość.

Przełączniki obrotowe przeznaczone są do jednoczesnego przełączania kilku lub kilkunastu obwodów elektrycznych prądu stałego i zmiennego, małej i wielkiej częstotliwości.

Konstrukcja przełącznika:

• Płytki z kontaktami stałymi (statora)

• Zwieracz (rotora) powiązanego z mechanizmem obrotowym

• Ustalacza położenia

Przełączniki obrotowe zajmują dużą powierzchnię na płycie czołowej urządzenia oraz stosunkowo duża przestrzeń wewnątrz przyrządu. Doprowadzenie i lutowanie przewodów jest dość kłopotliwe. Liczba płytek z kontaktami stałymi dochodzi do 12 a liczba położeń do 30.Im mniejsza wartość rezystancji styku, tym większa niezawodność kontaktów przełącznika. Zwykle wartość rezystancji wynosi 10 - 30 [mΩ].

Im mniejsze natężenie prądu i napięcie przełączania, tym większa trwałość przełącznika, zwykle trwałość wynosi 10⁴ - 10⁵ połączeń.

19. Charakterystyka przełączników drukowanych.

Przełącznik drukowany ma układ kontaktów stałych wykonany jest na płytce drukowanej w postaci pól stykowych. Zwieracz ma kontakty zwierające rozstawione odpowiednio do kombinacji przełączanych obwodów.

Przeznaczone są do tych samych celów, co przełączniki obrotowe wielopołożeniowe, jednakże cechy użytkowe tych przełączników dają im duża przewagę nad przełącznikami zwykłymi. Cechy te to:

• Elastyczność konstrukcyjna - możliwość wykonania skomplikowanego układu połączeń w mniejszej objętości i przy mniejszej liczbie połączeń zewnętrznych

• Trwałość - mniejsze opory tarcia pozwalają na zwiększenie trwałości co najmniej do 100000 przełączeń oraz na zestawianie zespołów z kilku płytek, które można napędzać

• Montaż - przełącznik zajmuje mało miejsca na płycie czołowej przyrządu, ponadto można go wtykać w gniazda złączy podobnie jak moduły

• Czytelność - układ przełączników ustawionych w linii pozwala wygodniej odczytywać stan sprzętu

20. Przełączniki kontaktronowe. Charakterystyka.

Opracowane na bezpośrednią pracę z układami scalonymi. Elementem przełączającym jest kontrakton (zestyk umieszczony w szklanej rurce), przełączenie odbywa się przez przesuwanie magnesu stałego lub uruchomienie cewki zawierającej kontrakty.

Przełączniki wykonuje się w dwóch wersjach:

1. klawiszowej - przeznaczonej do budowy klawiatur do wprowadzania informacji do maszyn matematycznych oraz stosowane w elektrycznych maszynach do pisania lub wyświetlania informacji na tablicach informacyjnych

2. układowej - przeznaczonej do bezpośredniego sterowania cewki zwierającej sygnałami z układów scalonych

Zastosowanie przełączników drugiej wersji do celów przełączających powoduje duże zmniejszenie kosztów w porównaniu z kosztami przekaźników uruchamianych napięciami wyższymi od 5V.

- typowe napięcie zasilające - 5,12,24 V

• obudowa typu DIP

Charakterystyczną cechą tego typu przełączników jest duża odporność na wilgoć i atmosferę korodującą.

21. Charakterystyka materiałów sprężystych stosowanych na kontakty w przełącznikach.

Podzespoły stykowe wykonuje się z następujących materiałów:

• kontakty z metali sprężystych o dobrych właściwościach mechanicznych, w celu zapewnienia dostatecznie dużych i stałych w czasie nacisków na powierzchni styku

• pokrycia stykowe kontaktów z metali o bardzo dobrych właściwościach elektrycznych o dobrej odporności na ścierania

• korpusy z tworzyw izolacyjnych

Materiały sprężyste:

1. brąz berylowy

- dobra przewodność elektryczna i cieplna

• zadowalająca odporność na ścieranie i korozję

Brązy stosowane na kontakty podzespołów stykowych mają przewodność elektryczną równą 25-30 % przewodności miedzi. Przewodność elektryczna i termiczna wzrasta po obróbce termicznej brązu.

Duża wytrzymałość mechaniczna umożliwia zmniejszenie wymiarów kontaktów. Brąz berylowy charakteryzuję się bardzo dobrą odpornością na korozję (95 % odporności miedz) wywoływaną zarówno warunkami przemysłowymi jak i morskimi. W brązach berylowych nie występuje także „kruchość wodorowa”. Mają bardzo dużą odporność zmęczeniową, są niemagnetyczne i mogą pracować szerokim zakresie temperatur. Własności sprężyste zachowuje do tem +140.

2. Brąz fosforowy:

Odporność na korozję (90% odporności miedzi) oraz zadowalająca przewodność elektryczna i cieplna uzasadniają stosowanie tego materiały na kontakty złączy o wymiarach standartowych i miniaturowych przeznaczonych do pracy w umiarkowanych warunkach środowiskowych. Maksymalna zewnętrzna temperatura pracy dla tego materiału wynosi 105C. Zawartość soli w atmosferze obniża własności wytrzymałościowe brązu.

Opracował:

Grzegorz Moranowski

[e-mail]

---