Вспомогательные элементы. Разъемы, соединители и коммутационные устройства (лекция № 4)

1.

Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Кафедра Конструирования и производства
радиоэлектронных средств
Дисциплина: «Компоненты электронной техники»
Раздел 2: «Пассивные элементы
радиоэлектронных устройств»
Лекция №4. «Вспомогательные элементы.
Разъемы, соединители и коммутационные
устройства»
(2 часа)
Доцент кафедры, к.п.н.,
Мордовин В.Н.
2024 г.

2.

Учебные вопросы
1. Кабельное и проводное оборудование.
1.1. Электрический кабель.
1.2. Кабель для передачи информации.
1.3. Провода.
1.4. Маркировка проводов.
2. Элементы питания.
3. Пьезоэлектрические элементы.
4. Коммутационные устройства и контактные соединения.
4.1. Соединители.
4.2. Реле.
4.3. Переключатели и кнопки.
4.4. Оборудование для инсталляции разъемов.

3. Литература

1. Электрические и электронные компоненты устройств и
систем : учеб.- Э45 ме-тод. пособие / В. В. Баранов [и
др.]. - Минск : БГУИР, 2019. -136 с. : ил.
2. Путеводитель по электронным компонентам: сборник/
Лев Шапиро. СПб.: Свое издательство, 2014. – 184с.
3. Виды кабелей и их различия. Кабель электрический
[Электронный
ресурс].
–
Режим
доступа
:
http://electrik.info/main/school/777-vidy-kabeley-i-ih
razlichiya.html.
3

4. ВВЕДЕНИЕ

Более 50 % выходов из строя аппаратуры вызваны отказами в
электрических контактах.
Электрическим контактом называется соединение двух
проводников, приведенных в соприкосновение, с целью передачи
электрической энергии от одного проводника к другому.
Соединяемые проводники называются контактной парой.
К числу основных электрических параметров контакта
относится его контактное сопротивление в зоне перехода
между двумя металлами RK, при этом RK ˃˃ R0, где R0 —
сопротивление материалов контактной группы.
Важным
параметром
электрического
контакта
является
максимальный ток Imax, который может быть пропущен через
контакт без нарушения его работоспособности. При протекании
через замкнутый контакт тока Imax в контакте выделяется
мощность РК = I2maxRK, контакт нагревается, что может привести
к окислению металла и к увеличению RK. В результате нагрев
контакта будет возрастать вплоть до прерывания цепи.
4

5. 1. Кабельное и проводное оборудование

Кабельное оборудование (кабельная система) представляет
собой физическую среду, которая связывает воедино
разрозненные электронные устройства и другое оборудование
электрических
(информационных)
сетей.
Кабельное
оборудование представлено кабелями различных типов, а также
специальными соединителями
для подключения кабельных
сегментов друг к другу и к сетевому оборудованию.
Кабельное и проводное оборудование предназначено для связи в
следующих основных видах сетей:
информационные кабельные сети;
структурированная кабельная сеть;
широкополосная кабельная сеть;
электрические кабельные сети;
высоковольтные кабельные сети;
телевизионные кабельные сети;
телефонные кабельные сети;
интернет по сетям кабельного телевидения;
аварийные кабельные сети.
5

6. 1.1. Электрический кабель

Электрический кабель – кабельное изделие, содержащее одну
или более изолированных жил (проводников), заключенных в
металлическую или неметаллическую оболочку, поверх
которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации
может иметься соответствующий защитный покров, в
который может входить броня, и пригодное для прокладки в
земле и под водой.
6

7.

Силовые кабели предназначены для передачи
и распределения электрической энергии.
Кабели выпускаются с медными и алюминиевыми токопроводящими
жилами с изоляцией из бумажных лент, из поливинилхлоридного
пластиката,
полиэтилена,
резины.
Диапазон
переменного
напряжения, в котором используются силовые кабели, от 660В до
500кВ. Кабели имеют свинцовые, алюминиевые или пластмассовые
оболочки.
Кабели связи предназначены для передачи
сигналов связи и информации. Кабели имеют
медные жилы и бумажную или пластмассовую
изоляцию. Кабели имеют свинцовые,
алюминиевые, стальные, пластмассовые или
металлопластмассовые оболочки.
Кабели
связи
делятся
на
высокочастотные
и
низкочастотные. Высокочастотные кабели – это кабели
дальней связи, низкочастотные – кабели местной связи
7
(городские телефонные, внутрирайонные и т. п.).

8.

Контрольные кабели предназначены для питания приборов,
аппаратов и других электротехнических устройств и
используются в цепях контроля. Число токопроводящих жил – от
4 до 37, диаметр сечения – от 0,75 до 10 мм2.
Кабели управления предназначены для дистанционного
управления и имеют медные жилы. В качестве изоляции
используются полиэтилен, поливинилхлоридный пластикат,
фторопласт, резина. Число токоведущих жил от 3 до 108. Все
или
отдельные
токопроводящие
жилы
могут
быть
экранированными. Оболочки кабелей – пластмассовые. Поверх
оболочки может накладываться панцирная броня из стальных
проволок. Кабели управления могут иметь круглую или плоскую
форму.
8

9. 1.2. Кабели для передачи информации

Антенные кабели. На сегодняшний день
чаще всего используются RG-6, RG-59, RG-58
или российские аналоги серии РК75.
Кабели
марок
RG
имеют
множество
разновидностей и отличаются друг от друга по
некоторым
характеристикам,
например
сопротивлению проводника, устойчивости к
температурным и ударным нагрузкам, времени
затухания сигнала, разновидности экрана и т.д.
Коаксиальный кабель RG-6.
Коаксиальный кабель РК756.
Число в названии кабеля
РК75 означает, что
сопротивление
проводника – 75 Ом.
9

10.

Наконечник RJ-45
(коннектор)для
подсоединения к
компьютеру.
Компьютерные
кабели.
Служат
для
построения компьютерных сетей. Кабель, при
помощи которого компьютеры соединяются с
Интернетом или друг с другом, – это известная
всем специалистам витая пара, состоящая из
одной
или
нескольких
пар
проводов,
перевитых попарно, что делается в целях
улучшения приема или передачи сигнала.
Каждый проводник в данном кабеле заключен
в изоляцию из ПВХ или пропилена. Внешняя
оболочка также из ПВХ. Кабель может быть
дополнительно оснащен влагонепроницаемой
оболочкой из полипропилена.
В конструкции витой пары присутствует
разрывная нить. При ее помощи с кабеля легко
снимается внешняя оболочка, открывая доступ
к токопроводящим жилам.
10

11.

В зависимости от вида кабеля возможны различные
варианты защиты:
• UTP, или незащищенная, без общего экрана для пар
проводов;
• FTP, или фольгированная, с экраном из алюминиевой
фольги;
• STP, или защищенная, с общим экраном из медной сетки,
к тому же каждая витая пара окружена отдельным экраном;
• S/FTP, или фольгированная, экранированная с общим
экраном из фольги, каждая пара дополнительно заключена
в экран.
Витые пары разделяются на категории по количеству пар,
объединенных в один кабель. Самый распространенный
вид, применяемый для компьютерных сетей, – это
категория CAT5e. Он состоит из четырех пар проводов
различного цвета. Скорость передачи данных – до 1 Гб/с
при использовании всех пар.
11

12.

Для соединения компьютеров с Интернетом или друг с другом
используют прямой и перекрестный обжим кабеля.
Прямой обжим применяется для соединения порта сетевой
карты с сетевым оборудованием (свитч, хаб, маршрутизатор).
Перекрестный обжим используется для соединения двух
сетевых карт напрямую.
12

13. 1.3. Провода

Электрический провод – кабельное
изделие, содержащее одну или несколько
скрученных проволок или одну или более
изолированных жил, поверх которых в
зависимости от условий прокладки и
эксплуатации может иметься легкая
неметаллическая оболочка, обмотка и
оплетка из волокнистых материалов или
проволоки, и не предназначенное, как
правило, для прокладки в земле.
Монтажные провода используются для выполнения групповых
соединений в различных схемах, т. е. для межблочного и
внутриблочного монтажа аппаратуры. Могут выполняться не только
круглыми, но и плоскими.
Силовые (установочные) провода предназначены для
распределения электрической энергии в силовых и осветительных
сетях на открытом воздухе и внутри помещений, для выводов
электродвигателей и питания различной аппаратуры. Рассчитаны
13
на напряжения до 3кВ.

14.

Обмоточные
провода
предназначаются
для
изготовления
обмоток
электрических машин, аппаратов и
приборов. Токопроводящие жилы
изготовляются из меди, алюминия,
сплавов сопротивления (нихром,
манганин, константан). В качестве
изоляции применяются эмалевые
покрытия на основе синтетических
лаков,
пропитанное
лаками
волокно,
натуральный
шелк,
синтетическая
и
хлопчатобумажная пряжа, пленки,
бумага, пластмассы.
14

15. 1.4. Маркировка проводов

Буквенная маркировка установочных, монтажных проводов и
силовых кабелей с ПВХ и резиновой изоляцией.
ПБППГ — провод (П), бытового и промышленного назначения (БП),
плоской формы (П), гибкий (Г).
АППВ — алюминиевые проводники (А), провод плоский (ПП), в ПВХ
оболочке.
МГШВ - монтажный (М) многожильный (Г) провод в оболочке из
полиамидного шелка и ПВХ.
15

16.

Буквенная маркировка силовых кабелей с ПВХ и
резиновой изоляцией
16

17.

ЦИФРОВОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ
Цифры на изделии в основном располагают данными о
площади сечения, допустимом напряжении для провода,
длине изделия. Иногда на маркировке пишется количество
жил.
Например, ВВГ 2×1,5, что можно расшифровать как,
силовой кабель с двумя жилами и площадью для каждой из
них по 1,5 мм квадратных. Подходит для напряжения 1
киловатт.
Пример: ВВГнг - это силовой провод, с двумя слоями
изоляции, устойчив к возгоранию.
17

18.

Буквенная маркировка силовых кабелей с ПВХ и
резиновой изоляцией.
18

19. Цветовая маркировка

19

20. 2. Элементы питания

Элемент питания –
аккумулятор - гальванический
элемент многоразового
использования, в котором
происходит накопление
электрической энергии за счет
превращения в химическую с
целью дальнейшего
использования после обратного
преобразования из химической
в электрическую. Аккумуляторы
состоят из положительного
электрода – анода,
отрицательного электрода –
катода – и электролита.
20

21.

Обозначение элементов питания
УГО фотоэлементов и
батарей – корпус в виде
кружка или овала и знак
фотоэлектрического
эффекта (G2, GB4).
Поскольку для питания приборов
чаще всего требуется напряжение,
большее того, что обеспечивает один
элемент или аккумулятор, их
соединяют в батарею.
Буквенный код в этом случае – GB.
Батарею обозначают упрощенно:
изображают только крайние
элементы, а наличие остальных
показывают штриховой линией (GB1).
ГОСТ допускает изображать батарею
и совсем просто – символом одного
элемента (GB2). Рядом с
позиционным обозначением в любом
случае указывают напряжение
батареи.
21

22. 3. Пьезоэлектрические элементы

В некоторых кристаллах при механическом воздействии на них
появляется электрическая поляризация, причем степень ее
пропорциональна величине воздействия.
Эти
явления
называют
прямым
и
обратным
пьезоэлектрическим эффектом.
Пьезоэлектрический эффект
22

23.

Классификация пьезокерамических элементов (ПКЭ)
ПКЭ можно классифицировать по трем основным признакам:
• геометрическая форма;
• взаимная ориентация возбуждающего электрического поля и
возникающего колебательного смещения;
• отношение резонансного размера ПКЭ к другим размерам.
Геометрическая форма и соотношение размеров выбирают из
условия возникновения одномерных линейных колебаний.
Простейший пьезоэлемент.
По геометрической форме
различают две основные
группы ПКЭ:
• прямоугольные
параллелепипеды;
• тела вращения.
Прочие ПКЭ относят к
элементам специальной формы:
трапецеидальные стержни,
треугольные пластины и др.
23

24. 4. Коммутационные устройства и контактные соединения

Коммутационными называют устройства, которые
осуществляют механическое соединения и разъединения
электрических цепей.
4.1. Типы соединительных и коммутационных
элементов
В зависимости от способа управления можно выделить два вида
соединительных и коммутационных элементов.
Элементы с ручным управлением. В них соединение,
разъединение или переключение цепей выполняет оператор,
механически воздействуя на орган управления элемента (рычаг,
кнопку или ось).
24

25. По конструктивному исполнению элементы этого вида разделяются на несколько групп:

• штепсели и гнезда —
обеспечивают соединение и
разъединение одной токопроводящей
цепи в отсутствии нагрузки;
• разъемы — обеспечивают
одновременное соединение нескольких
(до 300) цепей в отсутствие нагрузки;
• кнопки и кнопочные переключатели —
обеспечивают соединение, разъединение или
коммутацию цепей под нагрузкой только во
время механического воздействия на орган
управления элемента;
• переключатели — обеспечивают
коммутацию одной или нескольких цепей под
нагрузкой с фиксацией выбранного состояния.
25

26.

Элементы с электромагнитным управлением
В этих элементах изменение состояния контактных пар
осуществляется путем подачи тока в орган управления
(обмотку) элемента. Элементы этого вида подразделяются
на две основные группы: электромагнитные
реле
и
дистанционные переключатели.
Коммутационные устройства классифицируют по
нескольким признакам, в частности по назначению, по
количеству контактных пар, по частоте, по
напряжению, по мощности и т. д.
Электрический
соединитель
(разъем)
—
это
устройство, соединяющее два и больше электрических
проводника электромеханическим методом. Разъемы
состоят из двух компонентов: штекера (папы) и
соответствующего ему гнезда (мамы). Пример самого
простого и широко распространенного разъема — розетка,
в которую вставляем вилку электроприборов.
26

27. Классификационные признаки коммутационных устройств

По назначению:
Неразъемные — предназначены для постоянного соединения
или чрезвычайно редкого разъединения электрических
цепей;
Разъемные — предназначены для периодического
соединения и разъединения электрических цепей;
Скользящие — предназначены для постоянного соединения
электрических цепей через элементы, которые
перемещаются относительно друг друга;
Разрывные — предназначены для периодического
соединения и разъединения электрических цепей с током.
По количеству контактных пар:
• Одноконтактные — имеют одну контактную пару;
• Двухконтактные — имеют две контактные пары;
• Многоконтактные — имеют много контактных пар.
27

28.

По
частоте:
низкочастотные;
высокочастотные;
сверхвысокочастотные.
По вольтажу: низковольтные; высоковольтные.
По мощности: маломощные; мощные.
По конструктивным особенностям и по форме
изоляторов соединители подразделяются на два вида:
цилиндрические; прямоугольные.
28

29.

По функциональному назначению:
• межблочные разъемы (для соединения
отдельных блоков радиоаппаратуры между
собой или с общей цепью устройства);
• блочные разъемы, (для присоединения
кабеля от других блоков РЭС);
• кабельные разъемы (для соединения
частей кабеля между собой);
• проходные разъемы (для соединения
кабелей или жгутов проводников через
стенку блока);
• разъемы для печатного монтажа (для
соединения функциональных узлов РЭА
на печатных платах).
29

30. УГО реле и соединителей

30

31.

31

32. 4.2. Реле

Реле - это вид коммутационных устройств, функция которых
включения — выключения электрической цепи, под действием
управляющего сигнала, либо наступления определенных
условий. Применяются во всех сферах электротехники.
В большинстве случаев, имеют комбинацию выходов с
нормально замкнутыми, разомкнутыми, переключающими
контактами, но могут выполняться и с одним типом коммутации.
Классификация реле
По типу их подразделяют на:
• Первичные — выходы управления включаются
непосредственно в «рабочую» сеть;
• Вторичные — сигнал на коммутатор
приходит с какого либо измерительного
элемента, либо трансформатора;
• Промежуточные — являющиеся частью
системы, усиливающие управляющий сигнал.
32

33. Классификация реле по внутреннему устройству и принципу действия:

• электромагнитные;
• магнитоэлектрические;
• индукционные;
• полупроводниковые;
• сегнетоэлектрические;
• пьезо;
• фото.
Электромагнитные устройства представляют собой
катушку индуктивности с подвижным якорем. Под
воздействием магнитного поля, последний коммутирует
контакты реле. Со снятием управляющего сигнала,
сердечник
возвращается
пружинами
в
исходное
положение. Наиболее дешевый и распространенный вид.
33

34. Конструкция электромагнитного реле

Электромагнитные реле состоят из обмотки
электромагнита 4 и якоря, состоящего из
пружины 2 и ферромагнитного элемента 1.
При подаче тока управления Iупр в обмотку
ферромагнетик якоря втягивается в поле
электромагнита, якорь поворачивается вокруг
оси, при этом изменяется положение
элементов контактных пар, соединенных с
выводами реле. При отключении Iупр контакты
возвращаются в исходное состояние. Для
управления могут использоваться постоянные
или переменные токи, величина которых
зависит от сопротивления обмотки. Известны
поляризованные реле, для срабатывания
которых в обмотку следует подавать
постоянный ток определенного направления.
1 — ферромагнитный элемент якоря; 2 — пружина якоря;
3 — контактные узлы; 4 — обмотка электромагнита.
34

35. Виды реле

Магнитоэлектрические реле — система из подвижной
рамки с обмоткой подключенной к выходам «сигнальной»
цепи, поворачивающейся в поле постоянного магнита и
воздействующей на контакты. Обладают высокой
чувствительностью, но быстродействие не превышает
десятой доли секунды.
Индукционные — конструктивно состоят из двух
неподвижных переменных магнитов и якоря. Сигнал
управления, проходящий через обмотки, наводит
напряжение в подвижном элементе. Возникающая
электродвижущая сила поворачивает якорь осуществляя
коммутацию, что позволяет использовать устройство в
качестве реле фаз.
Тепловые — элементы основанные на свойстве твердых
тел изменять объем в зависимости от температуры.
Биметаллическая пластина (как правило латунь со сталью)
при нагревании изгибается осуществляя коммутацию цепи.
Применяется в автоматах защиты от перегрузки и сверх
токов короткого замыкания.
35

36. Виды реле

Полупроводниковые
—
бесконтактные
устройства,
твердотельные
реле
выполненные
на
тиристорах,
IGBT
транзисторах. Могут изготавливаться для
коммутации значительных мощностей, под
токи в сотни ампер, независимо от величины
сигнала
управления.
Высокое
быстродействие
(микросекунды)
и
надежность, за счет отсутствия движущихся
частей. Недостаток — высокая стоимость.
Сегнетоэлектрические
реле
—
коммутационные устройства основанные на
свойстве некоторых материалов изменять
направление поляризации под воздействием
электрического поля. Причем зависимость
имеет нелинейный характер.
36

37. 4.3. Разъемы, переключатели и кнопки

Коммутационные устройства содержат такие элементы
конструкции:
• Контактную пару, предназначенную для
осуществления контакта между электрическими кругами;
• Пружину, которая обеспечивает определенное
контактное усилие;
• Изоляционную основу, на которой крепятся контакты и
которая изолирует их друг от друга;
• Элементы перемещения и фиксации контактов;
• Элементы защиты контактов от атмосферного
воздействия;
• Элементы крепления в аппаратуре;
• Выводы, которые обеспечивают электрическое
соединение контактных устройств с аппаратурой.
37

38.

Конструктивные элементы переключателей со стыковыми
контактами:
а — с кулачком 1, который прижимает контакт 2;
б — с кулачком 1, который оттесняет контакт 2;
в — с кулачком 1, который оттесняет и прижимает контакты 2 от
контактов 3; 4 — контактная пружина.
38

39.

Перекидные переключатели (тумблеры) —
для их управления оператор воздействует на
рычаг. Тумблеры могут иметь два состояния, в
которых замкнуты или разомкнуты одна или две
цепи (одно- или двухполюсные переключатели);
иногда тумблер имеет нейтральное положение,
при котором все цепи разомкнуты.
В поворотных переключателях органом
управления является ось, которая может
иметь от 2 до 12 фиксированных положений.
Контактные пары размещены на
параллельно расположенных
диэлектрических платах (галетах) — до 12
контактных пар на каждой плате.
Объединение контактных пар в группы
позволяет получать различное число
положений (П) переключателя и
направлений (цепей) коммутации (Н).
39

40. Классификация переключателей

По конструктивному исполнению бывают:
• клавишные — с одной, двух и более
управляемыми цепями;
• кнопочные;
• рычажные;
• поворотные — переключение режимов
производится вращающейся рукояткой;
• шнуровые — по сути те же
кнопочные, приводимые в действие
шнуром или цепочкой;
• сенсорные, акустические.
40

41. Контактор

Контактор — коммутационный аппарат дистанционного
включения цепи. По принципу действия схож с реле, так как имеет
электромагнитный привод. При потере управляющего напряжения,
пружины возвращают контакты в исходное положение. Может
оснащаться дугогасительными камерами, не защищает цепь от
токов КЗ. В нормальном состоянии контакты в таком
устройстве всегда разомкнуты – это важное правило для
электробезопасности и удобства использования.
Конструктивно этот электромагнитный выключатель состоит из
системы блок-контактов, дугогасительной, контактной и
электромагнитной систем.
41

42.

Виды соединителей
Сигнальный
(до 2А)
Питания
(от 2А, выше)
Высокочастотные
42

43.

Оптические соединители
Различные виды применения соединителей
Применение в ЖД
Военного назначения
Автомобильное
43

44. Достоинства и недостатки применения внешних разъемов

Главным недостатком использования разъёмных
конструкций в РЭС является потенциальное снижение
надёжности.
Достоинством
же
их
использования
является
технологичность и ремонтопригодность.
Использование
разъёмных
конструкций
позволяет
быстро заменить отказавший модуль, что нивелирует их
недостаток.
В основе выбора типа конструкции должен лежать
компромисс
между
потенциальным
снижением
надёжности
и
необходимостью
обеспечения
технологичности и ремонтопригодности проектируемых
РЭС.
44

45. ВЧ и СВЧ разъёмы

Высокочастотные разъёмы – конструкции, предназначенные
для подсоединения различных электронных устройств к
электрическим цепям для осуществления согласованной
надёжной передачи сигналов высокой частоты.
Классификация ВЧ и СВЧ разъемов
По типу: штекер (вилка, «папа», plug, male); гнездо (розетка,
«мама», jack, female).
По полярности: стандартной (прямой) полярности;
реверсивной полярности.
По конструктиву: прямые; угловые.
По типу крепления центрального контакта:
• под пайку (припаивается оловом к центральной жиле кабеля);
• обжимной (надевается на центральный проводник и
обжимается).
45

46. Основные виды ВЧ и СВЧ разъемов

BNC. Был создан еще в первой половине 20-го
века и принадлежит к числу родоначальников ВЧразъемов, широко используется по сей день.
TNC. Резьбовой вариант BNC, разработанный в
конце 1950-х годов, способен работать на частоте
до 11 ГГц. Также среди положительных отличий
формата – лучший контакт, особенно в условиях
больших вибраций. Диаметр кабеля – 3-10 мм.
F. Роль штекера выполет оголенная центральная
жила, Чаще всего применяется в телевизионных
сетях на частоте до 2 ГГц. Главные «плюсы»:
простота и цена.
N. По своим характеристикам в наиболее полной
мере отвечает требованиям по передаче СВЧсигнала. N-разъем может эффективно работать на
частотах до 18 ГГц. Подходит кабель диаметром от
3 до 10 мм.
46

47. Заключение

В современной аппаратуре число электрических
контактов может превышать число всех других
элементов, поэтому велико их влияние на надежность,
габаритные размеры и стоимость аппаратуры в целом. В
последние годы большое внимание уделяется созданию
бесконтактных соединительных и коммутационных
устройств
на
основе
полупроводниковых
и
оптоэлектронных элементов. Однако полностью заменить
ими прижимные электрические контакты пока не
представляется возможным.
47

48. Контрольные вопросы

1. Почему нельзя превышать нормируемый максимально
допустимый ток прижимного контакта?
2. Перечислите основные составные части контактного
устройства.
3. Что называют электрическим контактом?
4. Что относится к основным электрическим параметрам
электрического контакта?
5. Кабельное оборудование – это…?
6. Как подразделяются электрические кабели?
7. Сколько пар проводов в витой паре категория CAT5e?
8. Какой обжим кабеля используют для соединения
компьютеров с Интернетом или друг с другом?
9. Аккумуляторы состоят из …?
10. Устройства, которые осуществляют механическое
соединения и разъединения электрических цепей,
называют…?
11. Реле – это…?
12. В нормальном состоянии контакты в контакторе…?
48