ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Кафедра электронной техники и технологии

С.К.Дик

 

Лабораторный практикум

По дисциплине

ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ,

УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ микроЭЛЕКТРОНИКИ и технология радиоэлектронных средств

 

часть 1

 

 

Для студентов специальности

 

Техническое обеспечение безопасности

Минск 2006

 

 

Лабораторная работа №1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

 

1. Цель работы

 

Изучить назначение, конструкции и основы технологии фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а также их основные характеристики. Исследо­вать амплитудно-частотные характеристики фильтров для УПЧИ и УПЧЗ современных телевизоров, влияние температуры на их характеристики.

 

2. Краткие сведения из теории

 

Одним из важных направлений функциональной электроники является акустоэлектроника, где значительное место занимают устройства и эле­менты на поверхностных акустических волнах (ПАВ). К ним можно отнести фильтры электрических сигналов, линии задержки, резонаторы, акус­тические фазовращатели, аттенюаторы, генераторы сигналов на ПАВ, уст­ройства пространственно-временной обработки сигналов и др.

Во всех этих устройствах и элементах используются преобразовате­ли ПАВ, служащие для преобразования электрических сигналов в акус­тические и наоборот. Известны преобразователи ПАВ, использующие трансформацию объемных акустических волн, и электродные, преобразова­тели ПАВ, причем последние более технологичны и обеспечивают возмож­ность расширения частотного диапазона до сотен мегагерц - единиц гигагерц.

Принцип работы электродных преобразователей ПАВ основан на упругой деформации участков пьезоэлектрического кристалла под действием прикладываемого на электроды, находящиеся на его поверхности, пере­менного напряжения. В однофазном преобразователе (рис. 1.1) период расположения электродов выбирается равным длине поверхностной акус­тической волны подложке из заданного материала, а ширина их, обычно составляет величину . Чем меньше толщина подложки, тем выше эффективность акустоэлектрического преобразования. На практике толщина подложки обычно превышает несколько единиц . В двухфаз­ном преобразователе электроды имеют встречно-штыревую геометрию.

 

 

Рис. 1.1. Однофазный (а) и двухфазный (б) преобразователи поверх­ностных акустических волн; 1 - электроды; 2 - подложка (звукопровод)

 

Рабочая частота однофазного преобразователя при равном периоде расположения электродов a вдвое выше, чем двухфазного. Следует отметить также, что однофазный преобразователь может работать при более высоких рабочих напряжениях, чем двухфазный. Последний, одна­ко, имеет некоторые конструкторско-технологические преимущества.

Преобразователи ПАВ характеризуются электрической и акустической добротностью:

, (1.1)

, (1.2)

где , - коэффициент электромеханической связи звукопровода; п - число пар электродов двухфазного преобразователя.

Оптимальное значение n имеет место при , когда полоса пропускания согласующего электрического контура, в котором используется последовательная индуктивность с целью компенсации статической емкости встречно-штыревого преобразователя, соответствует полосе акустического тракта, т.е. достигается электроакустическое согласование и низкий уровень отраженного сигнала.

Помимо рассмотренных существуют также однонаправленные преобразователиПАВ, которые излучают и способны принимать акустическую волну только в одном направлении. Примером может служить преобразователь состоящий из двух встречно-штыревых структур, сдвинутых от­носительно друг друга по фазе на 90° или же на расстояние , где m - целое число. Вблизи резонансной частоты волны, излучаемые в одном направлении, складываются, а в другом - компенсируются.

В линии задержки на ПАВ также имеется два преобразователя на подложке -звукопроводе, расстояние между которыми задает величину задержки сигнала

 

, (1.3)

 

где L - расстояние между преобразователями, преодолеваемое волной по звукопроводу; - скорость распространения ПАВ в данном материале.

На практике . С целью ослабления отражений и подавления стоячих волн по обеим сторонам преобразователей в линии задержки наносится поглощающее покрытие.

Большое практическое значение имеют полосовые фильтры на ПАВ, при­меняемые в настоящее время, в частности, в телевизионных приемниках в трактах УПЧИ и УПЧЗ. Они отличаются небольшими габаритами, малыми потерями (10...20 дБ), подавлением отраженных сигналов до уровня 30...40 дБ, хорошей температурной и временной стабильностью, высокой воспроизводимостью параметров при использовании современных методов производства. Схематически простейший вариант фильтра на ПАВ показан на рис. 1.2. При таком симметричном расположении выходных преобразо­вателей до отношению к входному используются обе части ПАВ, излу­чаемые по направлениям, показанным стрелками.

 

Рис. 1.2. Полосовой фильтр на ПАВ

 

Определяемая преобразователями полоса частот может изменяться в некоторых приделах при использовании промежуточных пассивных электродов. В известных преобразователях типа дифракционной решетки ряд пассивных электродов шириной , расположенных с шагом (рис. 1.3), относительная полоса частот за­висит от числа пассивных электродов. При этом зачастую улучшается форма частотной характеристики.

 

Рис1.3. Преобразователь ПАВ типа дифракционной решетки

 

Кроме того, для получения заданной частотной характеристики может приме­няться метод анодизации структур со встречно-штыревыми преобразователями, который заключается в изменении степени перекрытия штырей, достигаемом измене­нием их длины. Различают несимметрич­ную анодизацию, когда изменена длина электродов лишь одной гребенки, и симметричную. При этом происходит амплитудная модуляция импульсного отклика, а также, как нежелательные явления, наблюдаются дифракция акустической волны, излучаемой участ­ками с малыми перекрытиями штырей, и фазовые искажения фронта волны.

Учитывая разнообразные возможности формирования ПАВ, нетрудно понять достаточно широкое распространение других элементов на ПАВ: резонато­ров, полосовых усилителей, генераторов, активных фильтров, ответвителей и других, о которых упоминалось ранее.

Рассмотрим теперь особенности конструкции и технологии фильтров УПЧИ и УПЧЗ современных телевизионных приемников.

Так, основными элементами конструкции фильтров являются платы, соединенные клеевым швом, и крышка (рис. 1.4). Платы изготавливаются по типовым методам, широко используемым в микроэлектронике. Ис­пользуются, в частности, технологические процессы нанесения тонких пленок в вакууме, фотолитография, нанесение и вжигание паст, термокомпрессия и др. Кроме того, большое место в технологии занимают процессы прецизионной механической обработки деталей малых размеров.

 

 

п.1. Клей токопроводящий

п.2. Клей ВТ-25-200, состав I,

наполнитель - нитрид бора

ОСТ4 ГО.029.204

п.3. Сварка термокомпрессионная

п.4. Грунтовка

 

 

Рис.1.4. Общий вид фильтра УПЧИ: 1 - плата из монокристаллического ниобата лития; 2 - керамическая плата; 3 - металлическая крышка

 

 

Плата поз.2 изготавливается методами толстопленочной технологии. Материалом подложки служит керамика, как правило, марки 22ХС. Про­цесс изготовления подложки удовлетворяет ТУ 11-76. Перед нанесением паст проводится подготовка поверхности подложек, которая включает промывку в теплой мыльной воде, а затем в проточной дистиллирован­ной воде. Следующими операциями являются сушка и обжиг в конвейерной печи при 600°С. Проводящая и диэлектрическая пасты наносятся методом сеткографической печати с целью формирования заданного ри­сунка. Топология участка платы с контактной площадкой 1 показана на рис. 1.5. Проводящая плата представляет собой смесь мелкодисперсных порошков 6лагородных металлов, чаще всего Ag и Pd, окислов металлов и стекла, взвешенных в органической, например, скипидарно-канифолевой связке.

 

 

1 - проводники и контактные площадки.

Паста проводниковая марки 4350,

0,05 Ом/□

2 - изолирующий слой. Паста диэлектрическая

марки 0025, Ом

Допускается замена на лак ЭП-730,

ГОСТ 20824-81

 

Рис. 1.5. Участок платы о проводниковым (1) и диэлектрическим (2)

покрытием

Толщина слоя ~ 20 мкм. После печати пасты для постепенного удаления органической связки и исключения процесса появления пустот, раковин и других дефектов слоя проводится сушка, на­пример, инфракрасная, при температуре 80...125°С в течение 15...20 мин. Последующая операция - вжигание проводящего слоя в инертной среде, например, в туннельной печи в атмосфере азота, при темпера­туре 800°С в течение 900...100 мин. Скорость изменения температуры при этом не должна превышать 60...70°С/мин, а максимальная темпера­тура должна выдерживаться с погрешностью не более 1°С. Диэлектриче­ская пленка формируется однократной или двукратной печатью с промежуточной сушкой. Вжигание производится при температуре ~700°С.

Электроды на плате поз.1 изготавливаются по тонкопленочной техно­логии. При этом используется монокристаллическая подложка Пл-20-1,5-32 Нл из ниобата лития для фильтров УПЧИ и поликристаллическая под­ложка из пьезокерамики ЦГССт-5 для фильтров УПЧЗ. С целью борьбы с объемными волнами с тыльной стороны подложек под углом - 45° к оси y фрезеруются специальные пазы (рис. 1.6), которые заполняются свинцовым суриком для подложек фильтров УПЧИ и замазываются клеем для подложек фильтров УПЧЗ. Таким образом формируются акустопоглотители. Исключение составляет паз 4 под экраном, прозрачный по оси у, кото­рый замазывается проводящим клеем - контактолом. Преобразователи 1 и 2 имеют различное количест­во электродов в гребенке и различную их ширину. Так, ши­рина электродов во входном преобразователе ~20 мкм, а в выходном - около 100 мкм. Металлические электроды пре­образователей со встречно-штыревой геометрией, экран и вспомогательные элементы на угловых участках подлож­ки выполняются двухслойными: нижний слой толщиной 0,045±0,005 нм - из ванадия ТУ48-3-4-373-76, а верхний слой толщиной 1050±50 нм - из алюминия ЕТО.021.051 ТУ.

 

 

Рис.1.6. Плата фильтра УПЧИ; 1 - вход­ной преобразователь ПАВ; 2 - выходной преобразователь ПАВ; 3 - экран; 4 -паз, заполненный контактолом

 

 

Слои наносятся на подложу пос­ле ее тщательной отмывки термическим испарением в вакууме не выше 10^-3 Па в одном или двух вакуумных циклах. Температура подложки во время нанесения пленок составляет около 140°С. Слой ванадия может также наноситься методом ионно-плазменного распыления, обеспечивающим, как правило, более высокую адгезию пленки к подложке. Заданный рисунок двухслойной пленки получают методом фотолитографии при ис­пользовании фоторезиста ФП-383 или ФПРН-7, либо других марок и про­цесса химического травления в комплексном травителе (воздействующем на Al и V) или последовательно в травителях для алюминия и вана­дия. После промывки и сушки следует контроль с целью отбраковки струк­тур с короткими замыканиями гребенок обрывами вследствие возможного "перетрава" и другими дефектами, приводящими к ухудшению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтров. Проводится как электричес­кий, так и визуальный контроль под бинокулярным микроскопом. Платы фильтров УПЧЗ имеют иные размеры и топологию, но по технологии мало отличаются от фильтров УПЧИ. По концам платы УПЧЗ (по оси Х) краской наносятся каплевидные акустопоглотители, а посадка их на керамическую плату (поз.2) производится с помощью клея на эпоксидной основе, но не токопроводящего, как для фильтров УПЧИ.

Следует отметить, что конструкция и технология линий задержки на ПАВ в значительной степени аналогичны описанным фильтрам на ПАВ. Кри­тичным является расстояние между преобразователями, рассчитываемое в первом приближении из выражения (1.3).

Пример применения фильтра на ПАВ в схеме УПЧИ современного цвет­ного телевизора показан на рис 1.7.

Контроль фильтров на ПАВ в основном сводится к проверке на соответствие АЧХ требуемой. Полоса частот фильтра УПЧИ лежит в пределах 32,5...38 МГц раз­брос уровня сигнала а пределах полосы пропускания не шире 6±1 дБ, а подавление на соседних частотах (31,5 и 39,5 МГц) не более 36 дБ.

 

Рис.1.7. Часть принципиальной схемы УПЧИ, содержащей фильтр на ПАВ У1

 

Боковые всплески, например, в диапазоне частот 39,5...43 МГц подавляются отно­сительно сигнала на центральной частоте или частоте 36,5 МГц не более чем на 34 дБ, Полоса частот фильтра УПЧЗ значительно более узкая - 250 кГц, а центральная частота составляет 6,5 МГц±0,5%.

 

3. Схема измерений

 

Рис.1.8. Схема снятия АЧХ фильтров

 

4. Приборы и оборудование, применяемые в работе

 

1. Генератор Г4 - 102.

2. Осциллограф С1-75.

3. Макет с 4 фильтрами и термостатом.

 

5. Порядок выполнения работы

 

5.1. Снять АЧХ трёх фильтров.

Для этого изменяя частоту сигнала генератора на 6 диапазоне (4-10 Мгц) для фильтров 1,3 и на 8 диапазоне(20-50 Мгц) для фильтра 2 снять зависимость амплитуды выходного сигнала фильтра от частоты.

5.2. Исследовать влияние температуры на форму АЧХ и уход цент­ральной частоты.

Для этого необходимо получить АЧХ фильтра 4, помещенного в термостат, при комнатной и повышенной температуре на 6 диапазоне (4-10 Мгц) генератора.

5.2.1.Снять АЧХ фильтра 4 при комнатной температуре.

5.2.2. Установить максимально возможную амплитуду на выходе фильтра 4. Записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала. Тумблер "Нагрев" включить. Загорится лампочка на макете. Нагреть на 30°С от комнатной температуры (соответствует маленьким 5 делениям на встроенном индикаторе макета). Снова найти и записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала на выходе фильтра.

5.2.3. Снять АЧХ фильтра 4 при повышенной температуре.

5.3. Методика получения данных.

Установить максимально возможную амплитуду на выходе фильтра изменением частоты на выходе генератора. Записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала. Изменить частоту на генераторе в меньшую и большую сторону от центральной до момента получения амплитуды сигнала на выходе фильтра 0,707 от максимальной амплитуды. Записать значения этих частот. Эти данные используются для расчета добротности и полосы пропускания фильтра. Провести дополнительно 10-15 измерений в указанном диапазоне частот для качественного построения АЧХ фильтра.

 

6. Контрольные вопросы

 

6.1. Перечислите элементы функциональной электроники на ПАВ.

6.2. Какие существуют типы преобразователей ПАВ?

6.3. Как определяется время задержки сигнала линией задержки на ПАВ?

6.4. Изобразите схематически один из вариантов фильтра на ПАВ.

6.5. Из каких элементов конструкции состоит фильтр УПЧИ или УПЧЗ?

6.6. Как изготавливается активная плата фильтра?

6.7. Как изготавливается пассивная плата фильтра?

6.8. Каким образом изготавливаются акустопоглотители?

6.9. Объясните влияние температурных воздействий на характерис­тики фильтров.

 

7.Содержание практической части отчета

 

7.1 Функциональная схема лабораторного исследования. Приборы, их основные параметры и погрешности измерений. Конструктивные и электрические параметры исследуемых фильтров.

7.2.Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

7.3 Графики АЧХ фильтров.

7.4 Расчет добротности и полосы пропускания фильтров.

7.5 Выводы с анализом результатов.

 

8. Рекомендуемая литература

8.1. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.:Сов. радио, 1980.

8.2. Достанко А.П. Технология интегральных схем. - Минск: Вышэйшая школа, 1982,

8.3. Парфенов О.Д. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1977.

Приложение 1.

Пьезоэлектрический эффект.

При механической деформации некоторых кристаллов в определенных направлениях на их поверхностях образуются электрические заряды противоположных знаков, а внутри кристалла возникает электрическое поле. При изменении направления деформации изменяются и знаки зарядов. Это явление называют пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект обратим, т. е. при помещении кристалла в электрическое поле он будет изменять свои линейные размеры. Заряд, возникающий при пьезоэлектрическом эффекте, определяется соотношением

 

 

где F - величина силы, вызвавшей деформацию, - постоянные для данного кристалла коэффициенты, называемые пьезоэлектри­ческими модулями; зависят от типа кристаллической решетки, вида деформации и температуры.

ЛАБОРАТОРНАЯ PAБOTA №4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЛАБОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЛЕ

 

Цель работы. Изучить классификацию, конструктивно-технологи­ческие и функциональные особенности слаботочных электрических ре­ле. Экспериментально исследовать функциональные парамет­ры электромагнитных и герконовых реле.

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1.1. Устройство, классификация и функциональные особенности реле

 

Упрощённо конструкцию реле можно представить состоящей из воспринимающей, передающей и исполнительной систем, устройство и принцип действия которых определяют функциональные особенности, области применения и классификацию реле по различным признакам.

Принцип действия реле рассмотрим на примере электромагнитного реле. Электрический сигнал управления подаётся на обмотку с элект­ромагнитным сердечником (воспринимающую систему) и преобразуется в энергию магнитного поля, которое притягивает подвижный якорь к сердечнику магнитопровода, создавая тем самым механическую силу. Эта сила посредством системы рычагов, поводков и толкателей (пере­дающая система) передается на контактный блок (исполнительная сис­тема) и используется для управления контактами.

По принципу действия воспринимающих систем различают следую­щие виды реле: электромагнитные, магнитоуправляемые (герконовые), магнитогидродинамичсекие, электростатические, электромагнитострикционные, электротепловые, электронные, оптоэлектронные, магнитные, криотронные. По принципу действия исполнительных систем реле де­лятся на контактные и бесконтактные. По устройству передающих сис­тем реле обычно не классифицируются.

Независимо от устройства и принципа действия общим для всех реле является вид функциональной связи между выходным сигналом Y и входным X. Она может быть представлена следующим образом:

Y_min(max) при 0 ≤ X ≤ X_ср

Y= Y_max(min) при X_ср ≤X ≤ X_доп (1)

Y_min(max) при X_отп ≥ X≥ 0,

где Х_ср и X_отп - значения сигнала управления, соответствующие скачкообразным изменениям параметра Y, т.е. срабатыванию и отпусканию реле; Х_доп - допустимое значение сигнала; Y_max(min) - максимальное (минимальное) значение выходного сигнала.

Характеристики, описываемые приведенными соотношениями, полу­чили название релейных. Основные разновидности их, реализуемые в конкретных конструкциях реле, показаны на рис.1.1.

Слаботочные реле относятся к элементам широкого функциональ­ного назначения. Они используются для усиления и преобразования электрических сигналов, запоминания информации и программирования, распределения электрической энергии и управления работой отдельных элементов, устройств, блоков и аппаратуры в целом, функционального и энергетического сопряжения элементов и устройств РЭС, особенно работающих на различных энергетических уровнях или принципах дейс­твия, для сигнализации, контроля, зашиты и т.п. Все это определило большое разнообразие выпускаемых реле по конструктивному исполнению и функциональным особенностям.

По способу управления различают нейтральные, поляризованные и реле-переключатели (импульсные реле). По роду коммутируемого тока реле делятся на низкочастотные (постоянного тока) и высокочастот­ные. По функциональному назначению реле бывают коммутационные, времени и специальные.

Для управления нейтральными реле используются импульсы любой полярности. Полярность выходного сигнала зависит от электрической схемы исполнительной системы и способу ее подключения к источнику питания.

Управление поляризованными реле осуществляется импульсами строго определенной полярности. В сочетании с электрической схемой подключения исполнительной системы к источнику питания реле опре­деляют такие полярность импульсов на выходе.

Реле-переключатели - это разновидность нейтральных или поля­ризованных реле. Они имеют один или два входа. После подачи на вход кратковременного импульса управления исполнительная система переключается и находится в фиксированном состоянии до поступления следующего импульса. Фиксирование осуществляется с помощью специ­ального устройства - механической, магнитной или электромагнитной блокировки (защелки). С приходом следующего импульса исполнитель­ная система переходит в другое фиксированное состояние и т.д.

Коммутационные возможности по роду и частоте коммутируемого тока зависят от принципа действия, электроизоляционных и ряда дру­гих свойств исполнительной системы, таких как индуктивность выво­дов, емкость между коммутируемыми цепями, коэффициент стоячей волны и т.п.

 

 

 

Рис. 1.1. Релейные характеристики реле различного исполнения:

а) - нейтральное реле; б) - реле, имеющее два устойчивых состояния; в) - однопозиционное реле с механическим самовозвратом; г) - трехпозиционное реле с нейтральным положением якоря в исходном состоянии

 

Низкочастотные реле (частота коммутируемого тока до 10 кГц) и реле постоянного тока обычно относятся к одной группе. Однако существуют реле, которые могут коммутировать цепи только постоян­ного или переменного тока.

К коммутационным отнесены быстродействующие реле, обеспечиваю­щие большое число коммутаций - 10000 и более.

Реле времени предназначены для выдержки (задержки) времени срабатывания исполнительной системы по отношению ко времени пос­тупления и (или) прекращения действия сигнала на входе реле. Зна­чение и точность выдержки времени зависят от принципа действия воспринимающей и передающей систем и других факторов, учитываемых при реализации и эксплуатации реле.

В группу специальных относят реле, имеющие повышенные показа­тели по определенным параметрам: сопротивлению изоляции, коэффициенту возврата, коммутируемому напряжению и т.п. К ним такие отно­сят реле, предназначенные для выполнения узкоцелевых задач, напри­мер, реагирования на заданный ток или напряжение (разового дейс­твия, индикаторные и т.д.).

 

 

1.2. Функциональные параметры реле

 

Чувствительность реле характеризуется минимальной входной мощностью (Х_ср), при которой происходит скачкообразное изменение выходного параметра - срабатывание реле.

Коэффициент возврата К_в определяется как отношение наибольшей мощности на входе, при которой реле возвращается в исходное положе­ние (Х_отп), к мощности срабатывания (Х_ср).

Время срабатывания t_ср - это время, отсчитываемое с момента подачи сигнала на вход до появления сигнала на выходе реле.

Время возврата (отпускания) t_отп - это время, отсчитываемое с момента прекращения действия сигнала на входе для реле типа "пов­торитель" и подачи нового импульса для реле типа "триггер" до ис­чезновения сигнала на выходе реле.

Стабильность сопротивления контактного перехода характеризует качество исполнительной системы реле. Она определяет паразитные по­тери и параметры формируемого сигнала (фронт и амплитуду выходного импульса, уровень помех и искажения).

Сопротивление изоляции характеризует степень электрической развязки между воспринимающей и исполнительной системами, а также коммутируемых цепей между собой и источником питания.

Коммутируемая мощность Р_ком - это диапазон мощностей коммути­руемых цепей, при которых гарантируется заданное число переключе­ний. В большинстве случаев ограничивается диапазон допустимых ком­мутируемых токов и напряжений.

Износостойкость реле измеряется числом переключений и колеб­лется в широких пределах в зависимости от коммутируемой мощности, устройства исполнительной системы и параметров коммутируемой цепи.

Срок службы - это продолжительность работы реле в режимах и условиях, допускаемых ТУ на них. Износостойкость и срок службы оп­ределяют ресурсные возможности реле.

В ТУ на отдельные виды реле могут быть указаны и другие пара­метры, например, род тока, индуктивность и емкость контактных вы­водов, сопротивление обмотки и т. д.

 

 

1.3. Электромагнитные реле

 

Электромагнитные реле нашли широкое применение в различных областях техники и составляют около 86% всех выпускаемых реле.

Выпускаемые реле различаются по массе, чувствительности, спо­собу управления, роду коммутируемого тока, коммутируемой мощности и степени защиты от воздействия окружающей среды.

Наибольшей чувствительностью (0,007-5 мВт) обладают поляризо­ванные реле. Они предназначены в основном для усиления электричес­ких сигналов в схемах автоматики, измерительных цепях и линиях электросвязи, логических устройствах. Допускают большое число пе­реключений (до 10⁷) и имеют до пяти входов при большом диапазоне входных сопротивлений (от единиц Ом до нескольких кОм). Однако исполнительная система имеет, как правило, одну группу контактов на переключение, коммутируемая мощность не превышает 15 Вт и они не выпускаются в микроминиатюрном и миниатюрном исполнениях.

Нейтральные реле более универсальны. Они обладают широким ди­апазоном по чувствительности (10-250 мВт), коммутируемым токам и напряжениям. Используются для управления исполнительными устройс­твами в системах автоматики, сигнализации, контроля и защиты, в программных, кодирующих и запоминающих устройствах, для коммутаций цепей постоянного и переменного тока частотой до 100 МГц. Допусти­мое число переключений достигает 10⁶, быстродействие в пределах 3-10 мс, возможен дребезг контактов при замыкании.

Реле-переключатели представляют собой модификацию поляризо­ванных или нейтральных реле. Управление кратковременным импульсом существенно снижает потребление энергии и обеспечивает более бла­гоприятные условия работы обмоток, так как практически отсутствует перегрев. В результате повышается надежность работы реле.

 

 

1.3.1. Устройство отдельных систем реле

 

Магнитная система. В простейшем случае магнитная система сос­тоит из обмотки, размещенной на магнитопроводе, и выполняет роль воспринимающей системы. Предназначена для преобразования поступаю­щей на вход реле электрической энергии в механическую. Основные разновидности используемых магнитных систем показаны на рис. 1.2.

Системы показанные на рис. 1.2 а,б используются в поляризован­ных реле и переключателях. Для них характерно то, что при нахожде­нии якоря в среднем положении магнитный поток, постоянного магнита Φ₀ равномерно распределяется по обоим плечам магнитопровода, а создаваемые силы притяжения якоря равны между собой. При пропуска­нии постоянного тока по обмотке возникает магнитный поток Φ_м, ко­торый в одном плече магнитопровода суммируется о потоком постоян­ного магнита, в другом - вычитается. При этом якорь притягивается к полюсу, по которому проходит суммарный поток. При отсутствии сигнала на входе якорь переключателя фиксируется у одного из полю­сов потоком постоянного магнита вследствие резкого увеличения его в том плече магнитопровода, к полюсу которого приблизился якорь. В этом и заключается суть магнитной блокировки или защелки. Переклю­чение якоря в другое устойчивое состояние осуществляется подачей импульса необходимой полярности либо в обмотку второго плеча маг­нитопровода либо в обмотку первого, к полюсу которого он притянут.

Магнитная система переключателей с механической фиксацией по­ложения якоря (рис. 1.2,г) представляет собой спаренную магнитную систему клапанного типа (рис.1.2,в). При этом якоря кинематически взаимосвязаны таким образом, что после притяжения одного якоря к полюсу соответствующей магнитной системы положение его фиксируется с помощью механической защелки, соединенной со вторым якорем, ко­торый в этом случае находится в непритянутом состоянии. При подаче импульса на обмотку второй магнитной системы ее якорь притягива­ется и освобождает якорь первой системы, который под действием пружин возвращается в исходное положение и фиксирует второй якорь. Применение механической защелки позволило создать реле-переключа­тели, работа которых не зависит от полярности управляющего сигнала.

В современных, нейтральных реле преобладают магнитные системы с поворотным якорем (рис 1.2,д). Использование поворотного якоря позволяет повысить устойчивость магнитных систем к внешним механи­ческим воздействиям, уменьшить габариты и потоки рассеивания, а также повысить чувствительность магнитных систем реле по сравнению с системами клапанного типа.

Дальнейшим развитием магнитных систем с поворотным якорем можно считать системы с внутрикатушечным якорем (рис. 1.2,е).

Обычно обмотки наматываются на каркасы, изготавливаемые из пресс-порошков марок К-144, К-218, К-317, В-4-70, АТ-48, КФ-9, КФ-10, П-68-Т-20, поликарбоната, фторопласта и др. Кроме того, на­ходят широкое применение составные каркасы на основе изоляционных лент, а также бескаркасные катушки.

В качестве обмоточного провода чаще всего используются прово­да марок ПЭЛ, ПЭВ, ПЭТВ-Р, ПЭТР-155. В последние годы появились обмоточные провода с полиамидной изоляцией.

Внешняя поверхность обмотки обертывается лакотканью, стеклотканью, полиэтиленовой или фторопластовой пленкой. Это закрепляет поверхностные витки, защищает обмотку от внешних воздействий. Для повышения влагоустойчивости обмотки пропитываются лаками или покры­ваются эпоксидными смолами.

Для изготовления магнитопроводов реле применяются магнитомягкие, низкоуглеродистые и углеродистые стали, а также пермаллой и кремнистые легированные стали. Постоянные магниты изготавливаются из сплавов ЮНДК15, ЮН14ДК24, ЮНДК35Т5БА.

Передающая система. Передающая система электромагнитных реле - это механическое устройство, осуществляющее передачу механичес­кой силы движения якоря контактам реле. Они подразделяются на рычажковые, траверсные и комбинированые. На рис. 1.3,а показан вариант рычажковой системы. Она состоит из длинного рычага, идущего от якоря, с поводками на конце.

Траверсные системы (рис. 1.3,6) обычно используются в реле с магнитными системами соленоидного и клапанного типа. Особенностью таких систем является размещение всех подвижных контактов на одном поводке-траверсе. В комплексе она представляет робой контактный блок, перемещаемый с помощью рычага или поводка, идущего от якоря.

В реле с поворотным якорем устройство передающих систем сво­дится к коротким упорам со стеклянными изолирующими шариками, при­вариваемыми к концу якоря (рис. 1.3,в). Шарики вместе с упором вы­полняют роль толкателя.

Передающая система реле должна обеспечивать четкое переключе­ние контактов, сохранять заданную ей регулировку, иметь малое тре­ние, большую износоустойчивость, а также быть мало инерционной.

Для изготовления изоляционных деталей подвижной системы чаще всего применяются стекло, пластмассы марок КФ, АТ-48, фторопласт, поликарбонат. Для возвратных пружин используются нейзильбер, фос­фористая бронза и пружинная сталь.

Контактная система. В качестве исполнительной системы реле контактная система должна обеспечивать малое и стабильное значение сопротивления контактов, хорошую изоляцию токоведущих цепей, необ­ходимое число коммутаций, высокую надежность контактирования.

В реле используются преимущественно точечные и плоскостные контакты. По числу контактов на одной контактной пластине (пружи­не) контактные системы делятся на две группы: с одинарными и двой­ными контактами; по способу коммутации электрической цепи: с одним и двумя воздушными зазорами между контактами. В зависимости от по­ложения в процессе коммутации контакты разделяются на подвижные и неподвижные. При обесточенной обмотке различают нормально замкну­тые и нормально разомкнутые контакты. В технической документации на реле нормально замкнутые контакты также называют размыкающими (размыкаются при подаче напряжения на обмотку), а нормально ра­зомкнутые - замыкающими.

 

 

Рис. 1. 2. Основные разновидности магнитных систем реле

 

 

Рис. 1.3. Схематическое устройство передающих систем электромагнитных реле: 1 - изолятор; 2 - подвижный контакт; неподвижный контакт; 4 - якорь; 5 - опора; 6 - возвратная пружина; 7 - бусинка; 8 - ось якоря; 9 -траверса; 10 – шарнир

 

В замкнутом состоянии контакты прижимаются друг к другу с не­которым усилием Р_к, называемым контактным нажатием.

При соприкосновении двух контактных поверхностей в силу их шероховатости сумма участков с чистым металлическим контактом (по­лезная контактная площадь) значительно меньше кажущейся контактной поверхности. Участки с чисто металлической проводимостью образуют­ся за счет разрыва поверхностной пленки выступами поверхностей под действием Р_к и вследствие пробоя пленки электрическим полем. Ток, проходя из одного контакта в другой, стягивается к проводящим участкам (рис. 1.4,а), где плотность его возрастает. Более прочные участки пленки при сжатии приобретают свойства полупроводника с большим удельным сопротивлением (квазиметаллический контакт).

Эквивалентная схема контактного сопротивления контакта предс­тавлена на рис. 1.4,6, где R_к-Д₁ и R_к-Д₂ - сопротивления контакт-деталей контактов; R_ст1 и R_ст2 - сопротивления стягивания для обо­их контактов; R<