5.6. Электрические контакты в эа.

В ЭА используются постоянные, полупостоянные и временные электрические контакты. К временным контактам следует отнести разъемное соединение и соединение под винт, к постоянным - сварку, полупостоянным – паяное соединение, соединение накруткой и опрессовкой.

Разъемные соединения обеспечивают быструю установку и удаление элементов конструкции и используются для повышения ремонтопригодности аппаратуры.

Соединение под винт является основным видом соединения проводов к электрическим машинам и приборам и позволяет коммутировать провода независимо друг от друга. Медные проводники малых сечений перед установкой под винт изгибаются в кольцо, а чтобы не расходились жилы многожильных проводов, пропаиваются или опрессовываются кольцевым наконечником. Материалы проводников и винта различны. Предотвращение возможного ослабления контактного давления при циклических температурных воздействиях и вибрациях возможно введением под винт пружинной шайбы или шайбы-звездочки.

Соединение пайкой осуществляется расплавленным припоем с температурой плавления ниже температуры плавления соединяемых проводников.

Сварка представляет собой способ соединения, при котором концы проводов расплавляются, образуя соединение, обладающее высокой механической прочностью и способностью выдерживать высокие и циклические температурные воздействия. Сварные соединения обеспечивают высокую плотность монтажа и могут быть рекомендованы для применения при разработке микроминиатюрной аппаратуры. При выполнении соединений электросваркой могут оказаться поврежденными микросхемы, диоды, транзисторы.

Соединение накруткой получают без разогрева материалов путем накручивания под натягом вокруг жесткого вывода нескольких витков одножильного провода. В сечении вывод представляет квадратную или прямоугольную форму с острыми углами. Материал вывода должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять скручивающим усилиям, обладать хорошим сопротивлением на сминание накручиваемым проводом и низким омическим сопротивлением. Подобными свойствами обладают фосфористая и бериллиевая бронзы. В качестве материала проводника используется относительно мягкий и пластичный материал, сохраняющий форму накрутки. Соединение обеспечивает высокую надежность при жестких механических и климатических воздействиях. Основными причинами отказа соединения является ухудшение переходного сопротивления из-за коррозии соединения и появления усталостных явлений в накрученном проводе.

При опрессовке провода без изоляции кончиками вводятся в соединительную металлическую трубчатую гильзу и механически обжимаются, в результате чего между гильзой и проводом будет иметь место электрический контакт. Надежность соединения во многом зависит от соотношения размеров гильзы и диаметра провода, усилия обжатия и герметизации места соединения. Размеры и материал гильзы для каждого случая соединения тщательно подбираются экспериментально.

Сравнение способов выполнения электрических контактов производится на основе анализа основных свойств и параметров контакта. Использование пайки и накрутки позволяет автоматизировать производство электромонтажных работ. Пайка и сварка обеспечивает высокую плотность монтажа. Сравнительная оценка постоянных и полупостоянных способов соединения, выполненная относительным методом, когда наилучшему соединению по определенному свойству присваивается единица, наихудшему – четыре, приведена в табл. 5.10. За исключением быстроты выполнения соединений по всем прочим свойствам разъемный контакт и контакт под винт проигрывают постоянным и полупостоянным способам контактирования.

Таблица 5.10. Сравнение различных способов выполнения электрических контактов.

Свойство контакта	Способ соединения
	Сварка	Пайка	Накрутка	Обжимка
Механическая прочность	1	4	2	3
Размеры	1	2	3	4
Масса	1	2	3	4
Ремонтопригодность	4	1	2	3
Стойкость к вибрациям	1	2	3	4

В электронной аппаратуре используются соединения многих разнородных материалов: серебро, палладий, золото - в контактах соединителей; медь и ее сплавы - для проводов, клемм, гнезд и штырей соединителей; оловянно-свинцовые припои в соединениях; цинк, никель, кадмий – в качестве защитных покрытий крепежа и т.д. В местах соединений разнородных материалов возникают термоэлектрические потенциалы, зависящие как от материалов, так и температуры в соединении. Разница температур в различных частях конструкции может привести к погрешностям из-за наличия термоэлектрических потенциалов электрических соединений в высокочувствительных низкоуровневых схемах с высокими коэффициентами усиления. Основными принципами уменьшения погрешностей из-за наложения термоэлектрических потенциалов на полезные сигналы являются минимизация числа соединений и использование в соединениях материалов с низкой термоэлектрической способностью. Наличие окислов на проводах, соединяемых накруткой, в значительной степени увеличивает термоэлектрическую способность соединений (до 0,9 мкВ/⁰С). Поэтому с проводов перед накруткой должны тщательно удаляться окислы.

Выбор электрических соединителей. Соединитель должен выдерживать более жесткие внешние климатические и механические воздействия, чем аппаратура, в которую соединитель устанавливается. Запас по внешним воздействиям обеспечит его надежную работу в процессе эксплуатации. Чем больше контактов в соединителе, тем меньше параметры надежности, приходящиеся на один контакт соединителя. Поэтому при отсутствии жестких ограничений на габариты и массу ЭА можно рекомендовать вместо одного устанавливать несколько соединителей с суммарным числом контактов, равным числу контактов внешних цепей изделия.

Цилиндрические соединители по сравнению с прямоугольными соединителями обеспечивают более надежную заделку жгута, имеют большую надежность и стабильность параметров. Однако монтаж прямоугольных соединителей за счет линейного расположения выводов более удобен, габариты по сравнению с цилиндрическими соединителями с равным числом контактов меньше.

При конструировании аналоговой аппаратуры необходимо помнить, что в цепях с низкими уровнями сигналов существенное влияние на надежную работу ЭА оказывают помехи от термоэлектрических потенциалов контактных пар.

Для конструктивных модулей всех уровней ЭА конструктором разрабатывается определенный способ коммутации. При этом, как правило, модули снабжаются соединителями, которые по назначению можно классифицировать как соединители разных уровней коммутации.

Коммутация на плате микросхем и ЭРЭ выполняется, как правило, паяными соединениями. Недостаток этого способа состоит в том, что для многовыводных элементов затрудняется демонтаж, возникает необходимость в разработке и использовании специальной оснастки, например паяльников для групповой пайки. Улучшение ремонтопригодности и снижение эксплуатационных затрат возможно использованием в конструкциях соединителей первого уровня коммутации. Соединители микросхем распаиваются на печатной плате, затем в них устанавливаются микросхемы. Электрический контакт выводов соединителя с выводами микросхем обеспечивается за счет холодного контактирования металлов.

Соединители второго уровня коммутации обеспечивают электрическое соединение ТЭЗ между собой на шасси или объединительной печатной панели.

Соединители третьего уровня осуществляют коммутацию приборов, блоков, рам и стоек.

В зависимости от назначения соединители бывают кабельными, приборно-кабельными и приборными. Кабельный соединитель служит для коммутации кабелей, выходящих из приборов. Вилочная и розеточная части соединителя не закрепляются на приборе, а фиксируются на кабелях. В приборно-кабельных соединителях один из элементов (обычно вилка) закрепляется на приборе, вторым же элементом соединителя (розеткой) заканчивается кабель и фактически происходит коммутация кабеля с прибором. В приборных соединителях осуществляется коммутация частей приборов между собой. При этом вилка (или розетка) закрепляются на модуле, а ответная часть соединителя – на корпусе прибора, в который этот модуль устанавливается. Фиксируемые на приборах соединители снабжаются фланцами или специальными элементами закрепления.

Соединение вилки с розеткой бывает врубным, резьбовым и байонетным. Врубное соединение обеспечивается простым вставлением вилки в розетку без фиксации или с фиксацией сочлененного состояния замком. Резьбовое соединение кабельных и приборно-кабельных соединителей выполняется резьбовой накидной гайкой, после завинчивания которой на требуемое число витков происходит коммутация и фиксация пар штырь-гнездо. Байонетное соединение обеспечивается пазом и выступом, вводимым в конструкцию вилки и розетки. При попадании выступа в паз и легком нажатии осуществляется скольжение выступа в пазе и западание (фиксации) в углублении.

Высокая надежность в условиях жестких механических воздействий достигается использованием резьбовых соединителей. Накидная гайка соединителя предохраняется от самоотвинчивания стальной проволокой малого диаметра. Врубное соединение позволяет быстро сочленять-расчленять соединитель, но такие соединители имеют низкую надежность в условиях воздействия ударов и вибраций. Байонетное соединение занимает промежуточное положение между врубным и резьбовым соединениями.

Корпус соединителя третьего уровня коммутации служит для закрепления изолятора с контактами, защиты от внешних воздействий, крепления соединителя к несущей конструкции модуля или кабеля к соединителю, а также фиксации сочлененного состояния. Корпус соединителя бывает прямой и угловой. Выбор формы корпуса определяется ориентацией частей прибора друг относительно друга. Правильный выбор корпуса может упростить эксплуатацию и уменьшить габариты прибора.

Выбор типа соединителя производится исходя из назначения; предполагаемого способа монтажа (при этом фактически оговаривается требования к конструкции хвостовика контакта соединителя); необходимого числа коммутируемых цепей; электрических и электромеханических параметров; внешних климатических и механических воздействий; надежности; конструктивных особенностей соединителя.

К электрическим параметрам соединителей относятся максимальная рабочая частота, контактное сопротивление, рабочие токи и напряжения, сопротивление и электрическая прочность изоляции; к электромеханическим - усилие сочленения соединителя. Для удобства при эксплуатации усилие сочленения должно быть минимальным. Однако при воздействии ударов и вибраций возникает опасность изменения контактного сопротивления, появление виброшумов и шорохов на контактах, нарушение контакта.

Для аппаратуры низкого и среднего быстродействия из электрических параметров наиболее важными являются максимальные коммутируемые токи и напряжения. Однако, при работе на высоких частотах возникает проблема согласования волновых сопротивлений коммутируемых цепей и контактных пар соединителей. Несогласование приводит к искажению передаваемых сигналов, увеличению времени переходных процессов в цепях передачи сигналов.

Представленный на рис. 5.23 разъемный контакт с волновым сопротивлением соединяет в единую цепь две линии передачи с волновым сопротивлением . Данную ЛП следует рассматривать как неоднородную. Электромагнитная волна, распространяясь по линии и встречая неоднородности, частично отражается и возвращается к началу линии. Отражения приводят не только к ослаблению передаваемого сигнала. Обратный поток затрудняет согласование линии передачи с нагрузкой на конце линии, попутный поток искажает форму передаваемого сигнала.

Рис. 5.23. Неоднородная линия передачи и потоки электромагнитной энергии в линии

Интенсивность отказов электрического соединителя рассчитывается по уравнению = + , где , - коэффициенты, учитывающие соответственно влияние объекта установки и число задействованных контактных пар соединителя; - интенсивность отказов контактной пары; - число задействованных контактных пар соединителя; - интенсивность отказов с учетом числа уже выполненных сочленений и расчленений соединителя.

Рис. 5.24. Интенсивность отказов контактной пары соединителей: A)

-40 ... +250 ⁰C; B) -40 ... +200 ⁰C; C) -55 ... 125 ⁰C; D) -20 ... +100 ⁰C.

В зависимости от рабочего температурного диапазона соединителя его относят к одной из групп - A,B,C или D. По графику, приведенному на рис. 5.24, оценивается интенсивность отказов контактной пары соединителя в зависимости от температуры внутри изделия с учетом перегрева контактной пары при протекании по ней коммутируемого тока (рис. 5.25).

Рис. 5.25. Перегрев контактной пары в зависимости от тока и диаметра штыря.

Коэффициенты и корректируют полученную величину в сторону увеличения в зависимости от специфики объекта (табл. 5.11) и числа задействованных контактных пар соединителя ( = , где - число контактных пар соединителя).

Таблица 5.11. Коэффициенты влияния объекта установки на надежность электрических соединителей

Оборудование, объект установки	Коэффициент k1
Лабораторное и цеховое	1 ... 10
Наземное возимое	5 ... 15
Морское укрытое	5 ... 15
Летательный аппарат	10 ... 20
Спутник	15 ... 30

Величина вычисляется из =0,001exp(0,01 )10 1/час, где - число сочленений и расчленений соединителя за 1000 часов эксплуатации.

Пример. Рассчитать интенсивность отказов соединителя на 10 контактных пар. Все контактные пары соединителя задействованы. Рабочий температурный диапазон соединителя B, диаметр штыря контакта 0,5 мм, ток на контакт 5 А. Соединитель устанавливается в наземную стационарную аппаратуру с температурой внутри изделия +25⁰C. Предполагаемое число сочленений и расчленений 200.

Решение:

• изделие отнесем к лабораторному оборудованию;

• в худшем случае =10 (табл. 5.10), =exp =2,58;

• из графика на рис. 5.28 при токе на контакт 5 А перегрев штыря контактной пары диаметром 0,5 мм будет 18 , а температура контактной пары - 43 ;

• из графика на рис. 5.27 для соединителя группы B при температуре контактной пары в 43 =0,0013.10 1/ч;

• = 0,001exp(0,01 )10 1/ч=0,0074.10 1/ч;

• интенсивность отказов соединителя = 10.2,58. 0,0013.10 +10. 0,0074.10 = 0,107.10 1/ч.

Следует отметить, что электрические соединители являются электромеханическими устройствами и чаще всего самым слабым звеном в ЭА. Причинами ненадежности в работе соединителей является их неправильная установка, некачественный монтаж, плохое обслуживание, пыль, грязь. Важнейшее требование к соединителю - прочность и адекватность конструкции изделия, на которое соединитель устанавливается. При установке соединителя на панель или корпус изделия последние должны обладать достаточной жесткостью, чтобы предотвратить передачу механических воздействий на соединитель и жгут.

Контрольные вопросы.

• Перечислить параметры электрических соединений и проанализировать их влияние на конструкцию ЭА.

• От каких параметров зависит длина электрически короткой и длинной линий передач?

• В чем количественно выражается перекрестная помеха и помеха отражения?

• Для линии передачи без потерь с параметрами =0,5 мкГн/м и =30 пФ/м определить волновое сопротивление и задержку сигнала.

• Линия передачи с волновым сопротивлением 100 Ом, нагружена на входе на 50, а на выходе на 200 Ом. Время задержки сигнала в линии 100 нс. Входной сигнал задан ступенькой напряжение амплитудой 9 В. Показать характер изменения напряжения на входе и выходе линии.

• В чем особенности конструкций световодов и волоконно-оптических кабелей?