Узлы функциональной электроники

Введение

Устройства функциональной электроники – это устройства, которые работают на различных физических явлениях, работа связана с использованием динамических неоднородностей ( временные дефекты в однородном твердом теле ). Их функционирование описывается уравнениями математической физики.

Любая ЭВС состоит из элементной базы: ИС, устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы.

Электрорадиоэлементы используются давно и подразделяются на:

- активные ( п/п приборы и электровакуумные );

- пассивные:

- общего применения ( резисторы, конденсаторы и пр.)

- СВЧ устройства ( элементы, размеры которых соизмеримы с длинной волны обрабатываемого сигнала).

Соединители и коммутационные устройства

Соединители – это устройства, предназначенные для механического соединения /разъединения электрических цепей в обесточенном состоянии.

Коммутационные устройства – это устройства, предназначенные для периодического замыкания/размыкания цепей под током.

Соединитель образует разъемное, контактное соединение. Существуют неразъемные соединения – паяные, сварные и пр.

Коммутационные устройства могут быть с ручным или электрическим управлением. Коммутационные устройства делятся на:

- контактные – используют механическое соприкосновение двух контактных деталей;

- бесконтактные – осуществляют коммутацию без механического соединения/разъединения.

Теория электрического контакта

В контактном устройстве протекает ряд сопутствующих явлений, кроме электрической проводимости.

После разреза сопротивление проводника увеличивается на некоторое переходное сопротивление (R_пер ) – одна из основных характеристик контакта ( чем меньше, тем лучше ).

Появление переходного сопротивления объясняется ( R_пер ):

1. Как бы чисто мы не обрабатывали разрез, на нем всегда существуют микро шероховатость, из-за этого проводник соединяется не по всей поверхности поперечного сечения:

S_реал. >S_перв.

Площадь контакта меньше реальной площади поперечного сечения.

2. На поверхностях контактирующих деталей появляются пленки. Причины их возникновения:

- атомарный кислород оседает, образуя пленку;

- за счет соединения O₂ и металла – окисные пленки;

Существуют пассивирующие и рыхлые пленки. Рыхлые пленки могут существенно влиять на R_пер. . Чем больше температура, тем больше скорость роста пленки, но при достижении некоторой температуры пленка разрушается.

серебро …………… t _пл. =150 °C

алюминий…………t_пл. =3000 °С

- осаждение пленки воды – оказывает малое влияние на R_пер. , но при замерзании воды могут возникнуть пленки льда, а это уже диэлектрик.

- сульфидные пленки – у них большая толщина и плотность.

Наличие пленок затрудняет прохождение электрического тока. В зоне контакта ток протекает благодаря эклектической проводимости металлов и ещё благодаря фрикинг-эффекту.

Фрикинг-эффект

Между несоприкасающимися пленками возникает большая напряженность электрического поля, из-за такой электрической напряженности возникает пробой, металл расплавляется и возникает электрический контакт.

Ток может протекать через пленку и благодаря туннельному эффекту.

3. Эффект стягивания

Удлиняется путь электронов из-за изменения траектории движения, вызванного разрезом проводника.

Эквивалентная схема контактного устройства

N – количество шероховатостей ( величина случайная, при каждом соприкосновении N изменяется ).

R_{V 1} – сопротивление шероховатостей;

R _ст1 – сопротивление стягивания;

R _пл1 – сопротивление пленки.

В среднем можно считать переходное сопротивление по упрошенной формуле:

, где

r - удельное сопротивление материала контакта;

m - коэффициент Пуассона ( механическая характеристика );

E – модуль упругости материала;

Q – усилие контактного нажатия;

h _в – средняя высота выступа.

Статическая нестабильность переходного сопротивления – среднеквадратическое отклонение. Характеристикой контактного устройства является динамическая нестабильность – показывает степень изменения R_пер при воздействий на контактное устройство внешнего механического воздействия ( вибрация, удар ).

Более сложные физические явления работы наблюдаются в динамическом режиме работы – при замыкании / размыкании.

При размыкании возможно наблюдение явления дуги и следовательно расплавление контактов. Возникает из-за высокой ионизации между контактами.

Дуга зависит от:

· материала;

· напряжения и тока;

· чистоты поверхности;

· состава окружающей атмосферы;

· от наличия реактивных элементов в коммутируемой цепи.

Разность потенциалов между контактами это e_инд. и e