Изделия с разрывными контактами.

Всю эту группу можно разделить на три подгруппы:

· выключатели и переключатели;

· реле;

· шаговые искатели.

Реле.

Существует несколько разновидностей реле, отличающихся как по устройству подвижной системы, так и по особенностям функционирования:

· классические электромеханические;

· герконовые;

· электростатические;

· магнитогидродинамические;

· электротепловые;

· магнитострикционные.

Среди электромеханических реле можно выделить:

· обычные двухпозиционные реле, включая магнитные пускатели;

· поляризованные реле;

· реле с памятью;

· специальные реле, использующиеся в системах защиты энергосистем.

Прежде всего рассмотрим основные параметры реле.

Часть из них характеризует реле с точки зрения управления:

· напряжение управления;

· мощность управления;

· ток срабатывания;

· сопротивление обмотки постоянному току.

Для характеристики обмотки используются либо первая, либо вторая пара параметров. Обычно мощность управления у реле одного типа зависит от количества контактных групп.

Контактную систему характеризуют:

· количество контактных групп (замыкающих, размыкающих, переключающих);

· максимальное коммутируемое напряжение (на переменном и на постоянном токе);

· максимальный коммутируемый ток (также отдельно переменный и постоянный);

· минимальное коммутируемое напряжение (нормируется не всегда, а в некоторых случаях нормируется только в общих технических условиях);

· минимальный коммутируемый ток (то же, что и по минимальному напряжению)

· максимальная коммутируемая мощность (нормируется не всегда, в общем случае она меньше, чем произведение максимальных коммутируемых напряжения и тока);

· частотные свойства (для специальных реле, предназначенных для коммутации ВЧ сигналов).

При проектировании релейных схем важно знать, что все контактные системы, кроме специальных, с так называемой безразрывной коммутацией, устроены так, что при срабатывании или возврате сначала размыкаются замкнутые контакты, а затем замыкаются разомкнутые.

Общие характеристики:

· время срабатывания (время между подачей управляющего сигнала и появлением сигнала на выходе);

· время возврата (аналогично);

· коэффициент возврата.

Коэффициент возврата - это отношение наибольшей мощности, при которой реле возвращается в исходное состояние, к мощности срабатывания. Естественно, он имеет смысл не для всех разновидностей реле.

Физический смысл коэффициента возврата: известно, что усилие, с которым части магнитной системы притягиваются друг к другу, зависит от зазора. На постоянном токе эта зависимость обратно пропорциональная, коэффициент может быть больше или меньше в зависимости от конструкции.

В устройствах переменного тока ток обмотки определяется не активным, а индуктивным сопротивлением, которое уменьшается с увеличением зазора. Когда система разомкнута, зазор велик, но ток больше, когда замкнута - ток меньше, но зато меньше и зазор, и разница в усилиях сглаживается. Соотношение токов, кстати, может достигать 10 - 12, что особо существенно при применении крупных электромагнитных пускателей.

Так или иначе, разница в усилиях всегда есть, и неотъемлемым свойством реле (как, впрочем, и любых магнитных систем) является гистерезис, количественной характеристикой которого и является коэффициент возврата.

В каких-то случаях гистерезис мешает, но иногда его можно эффективно использовать. Случай из практики: на бескруточной прядильной машине БПМ было установлено 120 электропневмоклапанов, которые должны были работать одновременно, и каждый из них при номинальном напряжении потреблял 15 Вт - и того 1800 Вт.

Было, однако, известно, что, срабатывая при 22 - 24 В, отпускали они при 4 - 5 В.

Подавая 24 В не постоянно, а только на 0.2 - 0.5 с в момент пуска и снижая затем напряжение до 6 В (чтоб с гарантией) с помощью простейшей схемы, удалось снизить общее энергопотребление машины на 20% и уменьшить вес блока питания с 80 до 6 кГ.

Электромеханические реле.

Устройство обычных двухпозиционных реле не требует комментариев.

Подвижная часть магнитной системы поляризованных реле содержит постоянный магнит, в результате направление ее движения зависит от направления (полярности) приложенного напряжения. Применяются такие реле очень редко, они характерны относительно низким усилием сжатия контактов и, следовательно, довольно высоким переходным сопротивлением. Они значительно более, чем двухпозиционные, чувствительны к механическим воздействиям и внешним магнитным полям.

Подвижная часть импульсных реле (реле с памятью) возвращается в исходное положение не после окончания импульса напряжения, а в результате подачи другого управляющего сигнала. Это в разных конструкциях обеспечивается либо механическим фиксатором, который освобождает вспомогательная магнитная система, либо за счет использования постоянного магнита. В последнем случае для возврата на основную обмотку нужно подать импульс противоположной полярности.

Конечно, по функциям это обыкновенный RS - триггер, но запомненное состояние сохраняется при обесточенной схеме. Это также достаточно экзотическая разновидность реле, однако известная серия контактной аппаратуры, условно называемая “Л” и получившая широкое распространение в 80-е годы, содержит, кроме магнитных пускателей ПМЛ, реле РПЛ, тепловых реле РТЛ, контактных приставок ПКЛ и пневматических приставок ПВЛ, и приставки памяти ППЛ.

Герконовые реле.

Функционально они не отличаются от обычных двухпозиционных электромеханических реле, но имеют ряд существенных особенностей.

Конструктивно они представляют собой один или несколько магнитоуправляемых контактов (герконов), вставленных в общую катушку.

Можно насчитать не менее полутора десятков типов герконовых реле. Подавляющее большинство из них имеют только замыкающие, относительно слаботочные и низковольтные контакты, однако в последние годы появились герконы (в том числе и переключающие), способные на переменном токе коммутировать 5 А при 500 В.

Одна из главных особенностей - значительно больший по сравнению с электромеханическими реле ресурс как по числу электрических, так и по числу механических циклов (это разные вещи, потому что число электрических циклов зависит от электрического режима). 10 миллионов циклов - для них не самый высокий показатель.

Вторая особенность - способность работать в сильно запыленной и содержащей агрессивные компоненты среде, поскольку контактная система находится в герметичном баллоне.

Третья особенность - значительно более высокое быстродействие.

В некоторых отношениях герконовые реле, однако, проигрывают электромеханическим.

Во-первых, при одинаковых коммутируемых токах и напряжениях они требуют для управления существенно большей (в среднем втрое) мощности.

Во-вторых, они управляются исключительно постоянным напряжением, при этом, из-за более высокого быстродействия, требуют значительно лучшего его качества: уровень пульсаций для герконовых реле не должен превышать 6% (такое качество обеспечивает трехфазный мостовой выпрямитель), тогда как электромеханические хорошо работают при 50% (однофазный мост) и даже при однополупериодном выпрямителе.

В-третьих, герконы очень чувствительны к перегрузкам по току: их контакты могут свариться, а добраться до них невозможно, равно как невозможно и заменить геркон, так что реле приходится выбрасывать.

В-четвертых, герконовые реле, даже несмотря на внутренний ферромагнитный экран, более, чем электромеханические, чувствительны к внешним магнитным полям.

Тот факт, что герконы поставляются как самостоятельные изделия, позволяет при необходимости создавать собственные реле. Конструкция их предельно проста: геркон просто вставляется в катушку, делаются минимально необходимые несущие элементы и, если нужно, корпус, и реле готово.

До тех пор, пока не появились мощные переключающие герконы, реализовать размыкающие контакты было непросто: для этого нужны либо дополнительная постоянно включенная обмотка, удерживающая геркон замкнутым, либо - с той же целью - постоянный магнит. Поле основной управляющей обмотки действует против постоянного поля, и, когда результирующая напряженность поля достаточно уменьшится, геркон размыкается. Надо отметить, что чувствительность по управляющему напряжению у таких систем намного выше, чем у систем с переключающими герконами.

Электростатические реле.

В них контактная система перемещается под действием кулоновских сил. Это очень малогабаритные реле, типичное конструктивное оформление - DIP-корпус. Конечно, усилие сжатия контактов значительно меньше, чем у электромеханических, переходное сопротивление велико, но зато мощность управления практически нулевая.

Магнитогидродинамические реле.

Эти реле совершенно не похожи на другие: в них переключение происходит в результате перемещения проводящей жидкости (ртути) в результате взаимодействия протекающего через нее импульсного тока и магнитного поля постоянного магнита.

Они обладают очень маленьким, просто наименьшим возможным переходным сопротивлением, поскольку контакт обеспечивается ртутью, но быстродействие их невелико, а главный недостаток в том, что нет гальванической развязки между цепью управления и выходной цепью. Кроме того, эти реле не могут работать при низких температурах.

Электротепловые реле.

Большинство этих реле предназначены для защиты силовых цепей и исполнительных устройств от токов, превышающий номинальный на несколько единиц или десятков процентов. В них привод контактов осуществляется биметаллическим элементом, который нагревается протекающим через него током силовой цепи.

Их время срабатывания зависит от того, насколько ток в защищаемой цепи превышает номинальный. Главный недостаток - зависимость порога срабатывания от температуры окружающей cреды.

Конкретные типы электромеханических и герконовых реле.

К реле относится то же, что и ко всем остальным изделиям электронной техники: общее количестве существующих типов велико, но относительно немногие из них очень универсальны и имеют широкое распространение.

Для электротехнических применений особенно хороши реле серии РП21.

Они могут иметь от двух до четырех переключающих контактных групп, способных коммутировать не менее 250 В и 5А. Напряжение управления - 12, 24, 110 В постоянного и переменного тока. Конструкция выводов позволяет подпаивать провода, закрепляется реле на панели с помощью одного винта М3. Возможна поставка реле в комплекте со специальной розеткой с винтовыми зажимами, в которую реле просто вставляется.

Известные слаботочные реле РЭС-9, РЭС-10 уже довольно стары. И те, и другие предназначены для печатного монтажа.

РЭС-9 всех исполнений имеют две переключающих группы, коммутируемый ток - до 3А, напряжение - до 30 В, мощность срабатывания - 0.5 Вт.

РЭС-10 в зависимости от исполнения имеют либо одну переключающую, либо одну замыкающую группу, коммутируемый ток - до 2А, напряжение - до 30 В, мощность срабатывания - 0.3 Вт.

Несмотря на общую тенденцию вытеснения электромеханических реле, появляются новые усовершенствованные типы. В журнале “Электронные компоненты” № 1-2 за 1997 год есть информация о реле фирмы “Teledyne Relays”, предназначенных для коммутации высокочастотных сигналов, выполненных в транзисторных корпусах ТО-5 (маленький металлостеклянный корпус около 5 мм в диаметре).

Твердотельные реле.

Строго говоря, твердотельные реле по сути являются гибридными приборами и не имеют ничего общего с реле в общепринятом смысле, кроме функционирования.

Известные проблемы, связанные с разрывными контактами - эрозия контактов из-за электрической дуги, помехи и усталостное разрушение контактов все время заставляли разработчиков искать им замену, обладающую главным свойством контактов - очень низким сопротивлением в замкнутом состоянии и безразличием к направлению тока.

В определенной степени этой заменой могли бы стать твердотельные реле - гибридные приборы, включающие в себя достаточно мощный коммутирующий прибор и средства гальванической развязки. Сегодня существуют твердотельные реле с симистором или мощным полевым транзистором в качестве коммутирующего элемента. Управление осуществляется на основе пары излучающий диод - фотоэлемент.

Понятно, что ключевые свойства таких приборов все-таки несколько хуже, чем настоящих реле, однако они имеют ряд свойств, которые для настоящих реле недоступны:

· отсутствует дребезг контактов;

· очень высокая скорость переключения (Тп у отдельных типов до 22 мкс, частота переключения до 25 кГц);

· малая мощность управления;

· миниатюрность;

· независимость срока службы от числа циклов переключения, а также от характера нагрузки;

· очень высокая электрическая прочность изоляции.

При этом коммутируемые напряжения и токи ненамного ниже, чем у большинства малогабаритных электромеханических или герконовых реле.

По минимальному коммутируемому напряжению есть ограничение лишь у реле на основе симисторов (не ниже 20 В). Эти реле, конечно, пригодны лишь для коммутации переменного тока, но зато их выключение всегда происходит в момент перехода тока через 0, что исключает коммутационные перенапряжения при работе на активно - индуктивную нагрузку.

Существует также разновидность твердотельных реле, представляющая собой управляемый источник энергии, гальванически отвязанный от источника управляющего сигнала. Там используется уже упоминавшийся фотоэлемент, и хотя мощность выходного сигнала очень невелика (ЭДС не превышает 5В, а ток короткого замыкания составляет 5 - 8 мкА), традиционными средствами реализовать эту функцию можно лишь ценой значительных аппаратных затрат.

Твердотельные реле конструктивно оформляются в DIP - корпусах с 4 - 8 выводами.

Согласно информации журнала “Электронные компоненты” (№№ 1 и 5-6, 1997 г.), твердотельные реле выпускаются фирмами “International Rectifier” (CHIPSWITCH, BOSFET, PVI, HEXFET), “Teledyne Relays” и другими.

Выключатели и переключатели.

Способ управления - основной классификационный признак изделий этой группы. По этому признаку их можно разделить на:

· кнопочные;

· клавишные;

· движковые;

· рычажковые;

Рычажковые - это тумблеры и собственно рычажковые, которые по особенностям контактной системы ближе к галетным.

· поворотные.

Поворотные можно также классифицировать по конструктивным особенностям контактной системы:

· галетные;

· кулачковые;

· щеточные;

· пакетные;

· программные.

Имеет смысл и такой классификационный признак, как количество позиций:

· двухпозиционные;

· многопозиционные.

К двухпозиционным можно отнести лишь кнопки, клавишные переключатели и большинство тумблеров (существуют и трехпозиционные тумблеры).

По особенностям переключения можно выделить контактные системы прямоходовые и мгновенного действия.

В прямоходовой контактной системе подвижный контакт перемещается непрерывно вместе с элементом управления, а в системе мгновенного действия подвижная часть начинает двигаться лишь тогда, когда элемент управления достигнет определенного положения, и движение это имеет характер скачка. Такие системы, в отличие от прямоходовых, обладают гистерезисом, и в принципе неважно, реализуется это за счет устройства самой контактной системы или за счет устройства элемента управления.

Особая статья - микропереключатели. Они не имеют элемента управления, позволяющего с ними манипулировать, а представляют собой конструктивно оформленную в виде законченного изделия контактную систему, в подавляющем большинстве случаев мгновенного действия. Микропереключатели используются в серийно выпускаемых кнопках, тумблерах, движковых и кулачковых переключателях, они поставляются и как самостоятельные изделия, что дает конструкторам дополнительные возможности.

Электротехнические и радиоматериалы.

Номенклатура применяемых в электротехнике, электронике и радиотехнике материалов очень широка как по назначению, так и по числу конкретных марок, и мы, как обычно, коснемся лишь верхушки айсберга.

Начнем, как обычно, с классификации.

Электро- и радиоматериалы в первую очередь имеет смысл разделить по назначению:

· конструкционные материалы;

· изоляторы (особая статья - фольгированные материалы);

· магнитные материалы;

· припои и флюсы;

· клеи и другие адгезивы;

· компаунды и герметики;

· термоагенты;

· пьезоэлектрики;

· сегнетоэлектрики;

· лаки и краски.

Конструкционые материалы.

Конструкционные материалы предназначены для изготовления несущих конструкций, то есть тех, которые воспринимают все механические силы, действующие на аппаратуру, включая ее собственный вес и должны обеспечивать постоянство размеров конструкций при механических и климатических воздействиях (подумайте, нужно ли конструктору-электронщику иметь представление о сопромате).

Достаточно часто сочетаются механические и электрические или магнитные воздействия, что, конечно, конструктор должен учитывать.

Устойчивость к механическим воздействиям - первейшее свойство конструкционных материалов. Нужно иметь в виду, что материалы ведут себя по-разному при статических и динамических (в особенности периодических) воздействиях. Речь идет о так называемой усталости - постепенном нарастании дефектов структуры в результате периодических механических воздействий, что в конечном счете приводит к разрушению изделия. Все знают, как ломается проволока, если ее много раз согнуть и разогнуть, но ведь и рессоры в конце концов лопаются, хотя они в принципе работают в пределах упругих деформаций.

Для конструкционных материалов весьма важна стойкость к температурным воздействиям, которые всегда влияют неблагоприятно. Так, повышенные температуры приводят к деформации неметаллических материалов, в первую очередь аморфных, представляющих собой просто очень вязкие жидкости, даже если температура далека от температуры плавления. Низкие же температуры приводят к повышенной хрупкости, что актуально не только для неметаллов - для работы в условиях Крайнего Севера или Антарктиды нужны специальные хладостойкие стали.

Следующий фактор - устойчивость к старению. Старение свойственно как неметаллическим материалам, так и металлам. Это необратимые изменения структуры материала, происходящие в результате внутренних химических процессов, под воздействием УФ-излучения, радиации, тепла, в результате поглощения влаги материалом.

Для конструкционных матриалов могут оказаться существенными фрикционные свойства (в этом случае речь идет о парах материалов) - при этом не только абсолютное значение коэффициента трения, но и соотношение коэффициентов трения покоя и скольжения. Это важно в первую очередь в приборостроении, где электронное конструирование неразрывно связано с конструированием механизмов, а также при проектировании конструктивов с вставными блоками.

Существенна также стойкость материалов к истиранию.

Важное значение имеют электрохимические свойства материалов, в особенности для работы в условиях высокой влажности и еще более - при наличии в воздухе соляного тумана. Дело в том, что при этих условиях может образоваться гальваническая пара, и, кроме обычной химической коррозии, будет происходить электрохимическое разрушение металла, который окажется анодом, при этом скорость электрохимической коррозии во много раз выше, чем химической.

В качестве примера - алюминий, который в таких условиях сам по себе более устойчив, чем углеродистая сталь или чугун, контактируя с ними, очень быстро разрушается. Известен способ защиты от коррозии опор ЛЭП - рядом с опорой закапывают приличных размеров кусок цинка и электрически их соединяют. Пока весь цинк не рассыплется, опоре грозит только химическая коррозия.

Прикиньте в свете вышесказанного, что будет с обычным оцинкованным металлорукавом, который контактирует со стальным корпусом станции управления.

Существуют специальные справочники по защите от коррозии с очень подробными рекомендациями.

В приборостроении не последнюю роль играет и теплопроводность материалов - не только тех, которые используются для изготовления радиаторов, но и тех, из которых делают корпуса, но подробно об этом - позже.

И, наконец, магнитные свойства конструкционных материалов в ряде случаев приходится учитывать.

Металлические материалы.

Основные свойства наиболее распространенных металлических материалов приведены в трех приведенных ниже таблицах, однако есть некоторые комментарии и дополнительная информация.

Так, сортамент конструкционных материалов включает в себя листы различной толщины, прутки круглого, квадратного, шестигранного сечения, полосы, ленты, швеллеры, уголки, тавровые и двутавровые профили, проволоку.

Из алюминиевых сплавов можно получать различные, часто очень сложные профили методом экструзии. Наиболее наглядный пример - профили, используемые для производства оконных рам и дверных проемов, но есть также профили для каркасов шкафов и блоков, профили для изготовления охладителей. К сожалению, какая-либо концентрированная информация по этому поводу отсутствует.

Далее, алюминиевые и медные сплавы позволяют получать детали литьем - в земляные формы, в кокиль (в точную металлическую форму), под давлением и др.

Литье в землю - наиболее простая и дешевая технология, но получить готовые детали таким путем невозможно - требуется механическая обработка. Кроме того, из-за неизбежной неравномерности остывания металл получается неоднородным (часто встречаются раковины и посторонние включения) и внутренне напряженным, иногда настолько, что деталь при снятии верхнего слоя материала деформируется или даже лопается. Ответственные детали таким способом не получают. Литье в кокиль в этом плане значительно лучше, а литье под давлением дает вообще очень хорошие результаты: детали или совсем не требуют дополнительной мехобработки, или же ее используют для получения углублений, которые в принципе ( по геометрическим причинам) нельзя получить в литье. Однако затраты на изготовление оснастки очень велики - изготовление кокиля может окупиться при выпуске нескольких сотен деталей, а прессформы - при выпуске нескольких десятков тысяч деталей.

Медные сплавы для изготовления несущих конструкций не применяются. Сильноточные шины делаются обычно из чистой меди, поскольку электропроводность сплавов в принципе ниже, чем чистых металлов.

Два слова в сторону от темы.

Методами порошковой металлургии изготавливают высококачественные детали из самых различных металлов и сплавов, включая и тугоплавкие, а также из странных смесей вроде бронзографита (детали для узлов скольжения).

Кстати, монолитный тугоплавкий металл вроде титана вообще нельзя получить другими методами.

Порошковая металлургия позволяет также получать металл пониженной плотности - “пористый”.

Суть технологии в том, что деталь предварительно формуется из металлического порошка на специальном связующем, затем прессуется и, наконец, спекается при высокой температуре. Связующее испаряется, а диффузия между зернами металла приводит к образованию монолита.

В КГТУ ведущий специалист по порошковой металлургии - проф. Бошин Станислав Николаевич (каф. ТКМ и РТМ), ближайшее предприятие - завод “Электроконтакт”, г. Кинешма.

Отличный конструкционный материал - титан. Кроме прочности и легкости, он еще чрезвычайно термостоек и химически инертен. Однако он очень дорог, крайне плохо обрабатывается резанием и, как уже сказано, не льется. Сортамент беднее, чем у сталей или алюминиевых сплавов. Используют титан только в специальных случаях, когда другого выхода нет. Кстати, из титана получаются самые лучшие емкости для химических процессов в радиопромышленности.

Более подробную информацию в объеме, достаточном для конструктора - приборостроителя, можно найти в “Справочнике конструктора-машиностроителя” В. И. Анурьева, а далее - по библиографии.

Стали

N	Марка материала	Характеристика и свойства	Рекомендуемая область применения
1	Ст3кп ГОСТ 380	Малоуглеродистая сталь общего применения /обыкновенного качества/. Пластичность и свариваемость высокие.	Сварные и клепаные конструкции /в том числе с применением гибки в холодном состоянии; фасонного проката/: рамы, каркасы, кронштейны, кожухи, плиты, основания
2	Сталь 08кп ГОСТ 1050	Малоуглеродистая качественная конструкционная сталь. Свариваемость и пластичность высокие. Вследствие высокой вязкости плохо обрабатывается ре занием. Коррозионная стойкость весьма низкая	Слабонагруженные детали,изго товленные гибкой,вырубкой, листовой штамповкой в холод ном состоянии и сваркой, в том числе точечной и ленточной: кожухи, крышки, стаканы, скобы, планки
3	Сталь 1О ГОСТ 1050	Малоуглеродистая качественная конструкционная сталь Обладает высокими пластическими свойствами. Сваривается всеми видами сварки. Листовая сталь хорошо штампуется в горячем и холодном состоянии, допускает вытяжку и сложную гибку. Может применяться при цементации. Практически не обладает остаточным намагничиванием.	Слабонагруженные детали, изготовленные сваркой, штамповкой, гибкой, планки шайбы, накладки стойки, скобы, заглушки,колпачки. косынки, детали, подвергающиеся цементации. Магнитопроводы в неответственных случаях.
4	Сталь 20 ГОСТ 1050	Малоуглеродистая качественная конструкционная сталь. Обладает умеренными упругими свойствами и высокой вязкостью. Хорошо сваривается дуговой и контактной сваркой. Хорошо цементируется. Пригодна для вытяжки, отбортовки, штамповки	Слабонагруженные детали, требующие высокой вязкости сердцевины и высокого сопротивления износу, подвергаемые цементации или цианированию; сварные детали, детали изготавливаемые методом холодной высадки или штамповки: валики оси, втулки, крестовины
5	Сталь 45 ГОСТ 1050	Среднеуглеродистая сталь. Обладает повышенными упругими и умеренными пластическими свойствами, куется, штампуется. Может быть закалена. Обладает плохой свариваемостью. Имеет заметное остаточное намагничивание.	Слабонагруженные детали, работающие при небольших напряжениях: оси, валики, зубчатые колеса, собачки, винты, шпильки. Мелкие тонкостенные детали сложной конфигурации.
6	Сталь А12 ГОСТ 1414	Малоуглеродистая конструкционная сталь высокой обрабатываемости резанием /автоматная/. Практически не обладает остаточным намагничиванием.	Мелкие детали: болты, винты, гайки, шайбы, шпильки, оси, валики, втулки, кольца, планки, распорки. Магнитопроводы в неответственных случаях.
7	Сталь 65Г ГОСТ	Легированная сталь, поставляется в листах толщиной до 4 мм. Может быть закалена до высокой твердости, обладает отличными упругими свойствами	Детали с высокой износоустойчивостью и пружинными свойствами, работающие при знакопеременных нагрузках: пружины, пружинные кольца и шайбы, фрикционные диски.