Электромеханические и твердотельные реле

2 Специальная часть.  Конструктивно-технологические особенности  проектируемого изделия

 

1.  Анализ технических требований

                        

 Целью  дипломной  работы является разработка гибридной  микросхемы мощного нормально  разомкнутого твердотельного реле с гальванической развязкой (далее –  реле).

Разрабатываемые микросхемы предназначены для применения в  устройствах автоматики, силовой электротехники и гальванической развязки цепей питания, что позволит использовать ее в качестве мощного гальванически развязанного коммутатора переменных (постоянных) сигналов амплитудой до 60 В, током коммутации до 1 А в аппаратуре специального назначения.

Серийно выпускаемых  отечественных микросхем для  изделий специального назначения не имеется. Ближайшими зарубежными аналогами для изделий спецтехники являются микросхемы серии FD (FB00CD) фирмы Teledyne.

Сравнительные электрические  параметры разрабатываемых микросхем  и зарубежных аналогов в нормальных условиях приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Сравнительные параметры реле

Наименование  параметра, режим измерения, единица измерения	Буквенное обозначение	Разрабатываемая ИС	Зарубежные  аналоги серии FD
1. Максимальный допустимый  входной ток, мА	Iвх.макс	25	25
2. Максимальное допустимое коммутируемое напряжение, В	Uком.макс	60	80
3. Максимально допустимый коммутируемый ток, А	Iком.макс	± 1,0	± 1,0
4. Ток утечки на  выходе, мкА	Iут.вых	1,0	0,4
5. Напряжение изоляции, В	Uиз	500	500
6. Сопротивление выхода  в открытом состоянии, Ом	Rотк	1,0	0,15

 

 

Корпусное исполнение твердотельного реле FB00CD приведено на рисунке 2.1. Габаритные размеры твердотельного реле FB00CD представлены на рисунке 2.2.

 

 

Рисунок 2.1 – Внешний  вид и назначение выводов мощного  твердотельного реле FB00CD [58]

Рисунок 2.2 – Габаритные размеры твердотельного реле FB00CD [58]

 

 

 

Разрабатываемые микросхемы должны удовлетворять техническим  требованиям общих технических требований на гибридные микросхемы (микросборки и микромодули) ОСТ В 11 1009.

 

 

 

 

1. Конструктивные особенности реле

 

Отечественной промышленностью производится широкий спектр корпусов, аналогичных используемому в прототипе FB00CD и обеспечивающему требования технического задания на дипломный проект. С учетом данных технического задания, выполняемых изделием функций и требований ОСТ В 11 1009 реле выполняются в металлостеклянном корпусе МСШ4-03, представленном на рисунке 2.3.

 

Рисунок 2.3 – Габаритные размеры корпуса МСШ4-03

 

 

С учетом функциональной аналогичности разрабатываемого изделия  и  FB00CD расположение элементов конструкции предусматривается в соответствии с рисунком 2.4.

 

 

Рисунок 2.4 – Расположение элементов конструкции в корпусе  МСШ4-03

 

Для реализации функций  включения реле для однополярных и двухполярных сигналов рекомендуются схемы включения реле в соответствии с рисунком 2.5.

а)	б)

 

Рисунок 2.4 – Схемы  включения реле: а) для двухполярного  сигнала (схема включения А); б) для  однополярного сигнала (схема включения Б).

 

 

 

 

2. Электрические параметры реле

 

Электрические параметры  приборов при приемке и поставке соответствуют нормам, приведенным в таблице 2.2.

 

Таблица 2.2 – Электрические  параметры при приемке и поставке

Наименование  параметра		Обозначение	Норма		Режим  измерения
			мин.	макс.
Входное напряжение, В		Uвх	1,0	1,5	Iвх = 5мА
Выходное сопротивление в открытом состоянии, Ом	Схема А	Rотк	—	2,0	Iвх = 5мА, Iвых = 1,0А
	Схема Б		—	1,0	Iвх = 5мА, Iвых = 1,0А
Ток утечки на выходе в закрытом состоянии, мкА		Iут	—	1,0	Uвх = 0,8В, Uвых = 60В
Напряжение изоляции, В		Uиз	500	—	Iут.вых≤1мкА, t = 5с
Время включения, мc		tвкл	—	5,0	Iвх = 5мА, Uвых = 24В,  Rн = 200 Ом
Время выключения, мc		tвыкл	—	2,0	Iвх = 5мА, Uвых = 24В,  Rн = 200 Ом

 

Значения электрических  параметров реле в течение минимальной  наработки и минимального срока сохраняемости соответствуют нормам при приемке и поставке.

Предельно - допустимые значения электрических режимов эксплуатации в   диапазоне температур среды  соответствуют нормам, приведенным в таблице 2.3.

 

Таблица 2.3 - Предельно-допустимые и предельные электрические режимы эксплуатации

Параметры режима		предельно-допустимый		предельный		Примечание
		≥	≤	≥	≤
Коммутируемое напряжение, В	Схема А	-60	60	−	−
	Схема Б	0	60	−	−
Ток коммутации, А	Схема А	-1,0	1,0	-1,0	10	При T £ 250C
	Схема Б	−	1,0	−	1,0
Входной ток во включенном состоянии,  мА		5	25	−	−
Входной импульсный ток, мА		−	−	−	150	Тимп ≤20мс; Q ≥ 5
Выходной импульсный  ток, А	Схема А	−	−	-1,5	1,5	Тимп ≤ 200мкс; Q ≥ 5
	Схема Б	−	−	−	1,5
Входное напряжение в  выключенном состоянии, В		-3,5	0,8	−	−
Рабочий диапазон температур, °С		−	−	-60	125
Температура кристалла  транзистора, °С		−	150	−	175

 

 

 

 

3. Стойкость реле к внешним воздействующим факторам

 

Реле обеспечивают стойкость  к воздействию  механических факторов по ОСТ В 11 1009 в соответствии с таблицей 2.4.

 

Таблица 2.4 – Стойкость  реле к механическим факторам

Внешние воздействующие факторы	Значение фактора
Синусоидальная вибрация:
диапазон частот, Гц	1 - 5000
амплитуда ускорения, м с-2  ( g )	400 ( 40 )
Механический удар:
одиночного действия
пиковое ускорение, м с-2 ( g )	15000 ( 1500 )
длительность действия ударного ускорения, мс	0,1 – 2,0
многократного действия
пиковое ускорение, м с-2 ( g )	1500 ( 150 )
длительность действия ударного ускорения, мс	1 – 5
Линейное ускорение, м с-2 ( g )	5000 ( 500 )

 

Реле обеспечивают стойкость  к воздействию  климатических  факторов по ОСТ В 11 1009 в соответствии с таблицей 2.5.

 

Таблица 2.5 – Стойкость  реле к климатическим факторам

Внешние воздействующие факторы	Значение фактора
Атмосферное пониженное давление, Па ( мм рт. ст. )	0,67 х 103  ( 5  )
Атмосферное повышенное давление, атм.	3
Повышенная рабочая температура  среды,  °С	+ 125
Пониженная рабочая температуры  среды, °С	минус 60
Изменение температуры среды, °С	от минус 60  до +125
Повышенная относительная влажность  при 35 °С , %	98

 

 

4. Надежность реле

 

Надежность реле –  в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.413 и  ОСТ В 11 1009.

Гамма-процентная наработка  до отказа (Тγ) изделия при  γ = 95 %      в      предельно допустимом режиме эксплуатации (таблица 2.3)  состаляет не менее 100000 ч в пределах срока службы (Тсл ) 25 лет.

Гамма-процентный срок сохраняемости (Тсγ) изделий при γ = 95 % при хранении в упаковке изготовителя в условиях отапливаемых хранилищ, хранилищ с кондиционированием воздуха по ГОСТ В 9.003-80, а также вмонтированных в защищенную аппаратуру или находящихся в защищенном комплекте ЗИП во всех местах хранения, состаляет не менее 25 лет.

Значение гамма-процентного  срока сохраняемости (Тсγ) для всех климатических районов по ГОСТ В 9.003-80 (кроме районов с тропическим климатом) в условиях отличных от указанных в п. 3.4.5.1  в зависимости от мест хранения - по  ОСТ В 11 1009.

Значение Тсg в условиях тропического климата должно быть не менее 15 лет.

Обеспечение данных жестких  норм, условий и режимов эксплуатации обеспечивается специальными конструктивно-технологическими решениями при реализации конструкции изделия.

 

 

 

2.  Реализация конструкции изделия

 

 

Для обеспечения требований к изделию, предъявляемых к его электрическим параметрам, условиям эксплуатации и надежности обеспечивается следующими элементами конструкции и технологии:

- металлостеклянный корпус  с герметизацией корпуса лазерной  сваркой;

- керамическая подложка  с разводкой под монтаж и межсоединенения элементов конструкции;

- посадка коммутирующих  элементов (кристаллов ДМОП транзистора)  на паяное соединение;

- монтаж и соединение  элементов конструкции посредством  разварки.

 

1. Корпусное исполнение реле

 

Конструкция корпуса включает основание, представленное на рисунке 2.5, и крышку – рисунок 2.6.

 

Рисунок 2.5 – Основание  корпуса МСШ4-03

Рисунок 2.6 – Крышка корпуса  МСШ4-03

 

Корпус и крышка изготавливаются  из никелевого сплава 47НД с матовым никелевым (Хим.H3) или золотым (Хим. 3л. 0,1 Н6) покрытием. В основание корпуса запаян стеклом С76-4 вывод из никелевого сплава (29НК или 38НКД).

Такая конструкция корпуса  обеспечивает достаточные механическую прочность, коррозионную стойкость, теплоотвод и при герметизации лазерной сваркой требования герметичности.

2. Монтажная плата реле