eng
Выпуск #4/2008
М.Кулаков, Н.Кузнецов, А.Коновалов, А.Ольховой.
Новые отечественные вакуумные высокочастотные реле
Новые отечественные вакуумные высокочастотные реле
Просмотры: 4794
В аппаратуре связи и многих других радиотехнических объектах в качестве коммутирующих элементов высокочастотных цепей широко используются вакуумные высокочастотные реле (выключатели и переключатели), которые имеют лучшие параметры по сравнению с другими типами электромагнитных реле благодаря использованию вакуума в качестве диэлектрика между разомкнутыми контактами.
В процессе эксплуатации контакты вакуумных реле не окисляются и не загрязняются, их сопротивление мало и не зависит от воздействия внешних климатических факторов (влажность, температура, соляный туман и т. д.). Поэтому потери мощности в контактах незначительны и не изменяются в течение всего срока службы. Пробивное напряжение в вакууме во много раз больше, чем в воздухе. Это позволяет уменьшить расстояние между контактами, что, в свою очередь, повышает быстродействие реле. Пониженное атмосферное давление не влияет на электрическую прочность межконтактного зазора, что позволяет использовать вакуумные реле в аппаратуре, работающей на больших высотах и в космосе.
Для реализации новых разработок приемо-передающей бортовой и наземной РЭА требуются вакуумные реле с небольшими габаритами, низкой мощностью управления, высокими надежностными характеристиками, быстродействием и различными величинами пропускаемой мощности.
Наиболее перспективны вакуумные реле с поляризованным электромагнитным приводом. В таких реле на якорь электромагнита воздействуют два магнитных потока: поляризующий, создаваемый постоянным магнитом, и рабочий, создаваемый токами, которые протекают по управляющим обмоткам электромагнита. При отсутствии тока в управляющих обмотках на якорь электромагнита действует сила притяжения, создаваемая поляризующими потоками постоянного магнита, которая фиксирует якорь и связанный с ним подвижный контакт в одном из устойчивых положений контактов реле.
Схема поляризованного электромагнита в момент включения одной из управляющих обмоток показана на рис.1. Поляризованный электромагнит состоит из якоря, двух стопов, магнитопровода, постоянного магнита, состоящего из двух радиально намагничиваемых полуколец, и управляющих обмоток.
В момент включения обмотки зазор между якорем и стопом δ1 равен нулю, а зазор δ2 – максимальный. Полярность кратковременного управляющего импульса в обмотке выбирают, чтобы направление магнитного потока Ф1 в зазоре δ1 было противоположено направлению поляризующему потоку ФПМ, а в зазоре δ2 направление потоков совпадало. В зазоре δ1 рабочий и поляризующий потоки компенсируются, а в зазоре δ2 суммируются. Сила притяжения становится преобладающей, она усиливается по мере перемещения якоря во второе устойчивое положение, при котором зазор δ2 равен нулю, а зазор δ1 максимален. После прохождения управляющего импульса в первой управляющей обмотке якорь удерживается во втором устойчивом положении поляризующим потоком постоянного магнита. Возвращение якоря в исходное положение производится подачей кратковременного управляющего импульса нужной полярности на вторую управляющую обмотку. Наличие поляризованных электромагнитов поляризующего потока уменьшает потребление мощности, необходимой для надежной работы реле в различных условиях, и повышает их быстродействие.
Конструкция реле, свойства материалов, качество и строгое соблюдение технологии его изготовления обеспечивают получение и сохранение заданных параметров реле в процессе хранения и эксплуатации.
Конструкция вакуумного поляризованного реле (рис.2.) состоит из трех частей:
* вакуумированной металлокерамической камеры – керамического изолирующего цилиндра, к торцам которого припаяны заглушка и мембрана. Внутри камеры расположены подвижный и неподвижный контакты;
* поляризованного электромагнита, состоящего из якоря, стопов, магнитопровода, управляющих обмоток и постоянного магнита;
* системы передачи движения, которая представляет собой тонкостенную упругую мембрану, являющуюся, с одной стороны, элементом вакуумированной камеры, а с другой, – элементом, на котором закреплен подвижный контакт. Подвижный контакт, изолирующий стержень и стакан образуют рычаг, который при перемещении якоря электромагнита качается в вертикальной плоскости относительно центра мембраны и замыкает и размыкает цепь, образованную подвижным и неподвижным контактами.
В конструкции поляризованных реле, разработанных НИИЭМП, применены запатентованные технические решения, которые обеспечивают регулирование величин контактных зазоров и контактных нажатий [1, 2].
В отличие от предыдущих конструкций в новых реле электромагнит расположен перпендикулярно продольной оси вакуумной камеры. Якорь электромагнита перемещается перпендикулярно к оси в плоскости, совпадающей с направлением перемещения подвижного контакта при замыкании или размыкании им электрической цепи. Регулирование межконтактного зазора и контактного нажатия реле происходит следующим образом: стопы электромагнита, выполненные в виде двух резьбовых винтов, в процессе монтажа перемещаются по оси магнитопровода электромагнита, чтобы установить оптимальные зазоры между якорем и стопом, и этот зазор жестко фиксируется.
Специально подобранные конструкционные материалы обеспечивают устойчивость характеристик реле при воздействии механических нагрузок, электрических и магнитных полей, климатических факторов (повышенная температура, влага, соляной туман и т.п.).
Особые требования предъявляются к материалам, используемым для изготовления вакуумной камеры. Прежде всего, это высокая вакуумная плотность, отсутствие раковин, трещин и подобных дефектов. Материалы не должны содержать растворенные газы или примеси с низким парциальным давлением насыщенных паров.
Токоведущие детали изготавливают из материалов с высокими электро- и теплопроводящими свойствами, они должны быть диамагнитными. Материалы же контактной группы должны быть достаточно прочными и формоустойчивыми при многократном контактировании, а также исключать возможность холодного сваривания в вакууме.
Диэлектрические материалы, из которых изготавливаются элементы вакуумной камеры, должны обладать механической прочностью, вакуумными свойствами, высокими поверхностным и объемным сопротивлениями, низкими высокочастотными потерями. В основном в качестве диэлектриков применяется алюмооксидная керамика. Она имеет высокое поверхностное (≈1011 Ом∙см) и объемное (≈1013 Ом∙см) электрическое сопротивление, ее пробивное напряжение составляет 20∙106 В/м, а тангенс угла диэлектрических потерь ≈10-4 даже на высоких частотах. Низкая величина тангенса угла диэлектрических потерь исключает перегрев и деформацию деталей в высокочастотных приборах.
Детали магнитопровода изготовлены из магнитомягкого металла с высокой магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, минимальной остаточной намагниченностью (коэрцитивной силой) и незначительным старением. В качестве постоянных магнитов применяют магниты из сплавов на основе редкоземельных металлов, которые имеют высокую остаточную магнитную индукцию.
При изготовлении реле применяют типовые технологические процессы, отработанные на изделиях аналогичного назначения – максимально используются унифицированные и стандартизованные материалы, сборочные единицы, оснастка и т.п.
Основные процессы изготовления реле:
* изготовление деталей методами холодной штамповки, обработка металлов резанием, электроискровая обработка и др.;
* очистка деталей химическим, гальваническим, термическим методами в среде водорода и в вакууме и др.;
* монтаж и соединение деталей и сборочных единиц, входящих в состав вакууммированной камеры. Детали собираются в специальных оправках, предварительно фиксирующих их взаимное расположение, затем соединяются между собой пайкой твердыми припоями в среде водорода или аргонодуговой и лазерной сваркой и др.;
* вакуумно-технологическая обработка, включающая откачку до давления 10-7 мм.рт.ст.;
* сборка вакууммированной камеры с электромагнитом;
* замеры параметров и отбраковочные испытания;
* нанесение защитных покрытий и маркировка;
* цеховые испытания;
* приемо-сдаточные испытания.
Характер зависимости тока от частоты (рис.3) обусловлен увеличением с ростом частоты потерь мощности в металлических токоведущих элементах и диэлектрических деталях реле, данные приведены для максимально допустимой температуры нагрева 125°С.
Основные параметры реле поляризованного типа при нормальных климатических условиях приведены в таблице.
По функциональному назначению вакуумные реле В1Д-4В, В1Д-5В, В1Д-6В, В2Д-1В являются однополюсными на одно направление, т.е. имеют один подвижный и один неподвижный контакт. Реле П1Д-5В, П2Д-3В – это однополюсные на два направления, т.е. они имеют один подвижный и два неподвижных контакта.
По техническому уровню вакуумные реле, разработанные и выпускаемые в НИИЭМП, соответствуют лучшим зарубежным образцам и предназначены для применения в режиме бестоковой коммутации высокочастотных цепей в стационарных, самолетных, вертолетных, автомобильных и переносных радиостанциях, судовых и береговых автоматизированных комплексах связи, комплексах радиоэлектронного противодействия.
Литература
1 Пат. № 2066891 РФ. Высоковольтный вакуумный переключатель / Бочкарев В.С., Коновалов А.Т., Кулаков М.М., Кузнецов Н.А. – Опубл. в Б.И. № 26, 20.09.96.
2 Пат. № 2076371 РФ. Высоковольтный вакуумный переключатель./ Бочкарев В.С., Коновалов А.Т., Кулаков М.М., Кузнецов Н.А. – Опубл. в Б.И. № 9, 27.03.97.
Для реализации новых разработок приемо-передающей бортовой и наземной РЭА требуются вакуумные реле с небольшими габаритами, низкой мощностью управления, высокими надежностными характеристиками, быстродействием и различными величинами пропускаемой мощности.
Наиболее перспективны вакуумные реле с поляризованным электромагнитным приводом. В таких реле на якорь электромагнита воздействуют два магнитных потока: поляризующий, создаваемый постоянным магнитом, и рабочий, создаваемый токами, которые протекают по управляющим обмоткам электромагнита. При отсутствии тока в управляющих обмотках на якорь электромагнита действует сила притяжения, создаваемая поляризующими потоками постоянного магнита, которая фиксирует якорь и связанный с ним подвижный контакт в одном из устойчивых положений контактов реле.
Схема поляризованного электромагнита в момент включения одной из управляющих обмоток показана на рис.1. Поляризованный электромагнит состоит из якоря, двух стопов, магнитопровода, постоянного магнита, состоящего из двух радиально намагничиваемых полуколец, и управляющих обмоток.
В момент включения обмотки зазор между якорем и стопом δ1 равен нулю, а зазор δ2 – максимальный. Полярность кратковременного управляющего импульса в обмотке выбирают, чтобы направление магнитного потока Ф1 в зазоре δ1 было противоположено направлению поляризующему потоку ФПМ, а в зазоре δ2 направление потоков совпадало. В зазоре δ1 рабочий и поляризующий потоки компенсируются, а в зазоре δ2 суммируются. Сила притяжения становится преобладающей, она усиливается по мере перемещения якоря во второе устойчивое положение, при котором зазор δ2 равен нулю, а зазор δ1 максимален. После прохождения управляющего импульса в первой управляющей обмотке якорь удерживается во втором устойчивом положении поляризующим потоком постоянного магнита. Возвращение якоря в исходное положение производится подачей кратковременного управляющего импульса нужной полярности на вторую управляющую обмотку. Наличие поляризованных электромагнитов поляризующего потока уменьшает потребление мощности, необходимой для надежной работы реле в различных условиях, и повышает их быстродействие.
Конструкция реле, свойства материалов, качество и строгое соблюдение технологии его изготовления обеспечивают получение и сохранение заданных параметров реле в процессе хранения и эксплуатации.
Конструкция вакуумного поляризованного реле (рис.2.) состоит из трех частей:
* вакуумированной металлокерамической камеры – керамического изолирующего цилиндра, к торцам которого припаяны заглушка и мембрана. Внутри камеры расположены подвижный и неподвижный контакты;
* поляризованного электромагнита, состоящего из якоря, стопов, магнитопровода, управляющих обмоток и постоянного магнита;
* системы передачи движения, которая представляет собой тонкостенную упругую мембрану, являющуюся, с одной стороны, элементом вакуумированной камеры, а с другой, – элементом, на котором закреплен подвижный контакт. Подвижный контакт, изолирующий стержень и стакан образуют рычаг, который при перемещении якоря электромагнита качается в вертикальной плоскости относительно центра мембраны и замыкает и размыкает цепь, образованную подвижным и неподвижным контактами.
В конструкции поляризованных реле, разработанных НИИЭМП, применены запатентованные технические решения, которые обеспечивают регулирование величин контактных зазоров и контактных нажатий [1, 2].
В отличие от предыдущих конструкций в новых реле электромагнит расположен перпендикулярно продольной оси вакуумной камеры. Якорь электромагнита перемещается перпендикулярно к оси в плоскости, совпадающей с направлением перемещения подвижного контакта при замыкании или размыкании им электрической цепи. Регулирование межконтактного зазора и контактного нажатия реле происходит следующим образом: стопы электромагнита, выполненные в виде двух резьбовых винтов, в процессе монтажа перемещаются по оси магнитопровода электромагнита, чтобы установить оптимальные зазоры между якорем и стопом, и этот зазор жестко фиксируется.
Специально подобранные конструкционные материалы обеспечивают устойчивость характеристик реле при воздействии механических нагрузок, электрических и магнитных полей, климатических факторов (повышенная температура, влага, соляной туман и т.п.).
Особые требования предъявляются к материалам, используемым для изготовления вакуумной камеры. Прежде всего, это высокая вакуумная плотность, отсутствие раковин, трещин и подобных дефектов. Материалы не должны содержать растворенные газы или примеси с низким парциальным давлением насыщенных паров.
Токоведущие детали изготавливают из материалов с высокими электро- и теплопроводящими свойствами, они должны быть диамагнитными. Материалы же контактной группы должны быть достаточно прочными и формоустойчивыми при многократном контактировании, а также исключать возможность холодного сваривания в вакууме.
Диэлектрические материалы, из которых изготавливаются элементы вакуумной камеры, должны обладать механической прочностью, вакуумными свойствами, высокими поверхностным и объемным сопротивлениями, низкими высокочастотными потерями. В основном в качестве диэлектриков применяется алюмооксидная керамика. Она имеет высокое поверхностное (≈1011 Ом∙см) и объемное (≈1013 Ом∙см) электрическое сопротивление, ее пробивное напряжение составляет 20∙106 В/м, а тангенс угла диэлектрических потерь ≈10-4 даже на высоких частотах. Низкая величина тангенса угла диэлектрических потерь исключает перегрев и деформацию деталей в высокочастотных приборах.
Детали магнитопровода изготовлены из магнитомягкого металла с высокой магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, минимальной остаточной намагниченностью (коэрцитивной силой) и незначительным старением. В качестве постоянных магнитов применяют магниты из сплавов на основе редкоземельных металлов, которые имеют высокую остаточную магнитную индукцию.
При изготовлении реле применяют типовые технологические процессы, отработанные на изделиях аналогичного назначения – максимально используются унифицированные и стандартизованные материалы, сборочные единицы, оснастка и т.п.
Основные процессы изготовления реле:
* изготовление деталей методами холодной штамповки, обработка металлов резанием, электроискровая обработка и др.;
* очистка деталей химическим, гальваническим, термическим методами в среде водорода и в вакууме и др.;
* монтаж и соединение деталей и сборочных единиц, входящих в состав вакууммированной камеры. Детали собираются в специальных оправках, предварительно фиксирующих их взаимное расположение, затем соединяются между собой пайкой твердыми припоями в среде водорода или аргонодуговой и лазерной сваркой и др.;
* вакуумно-технологическая обработка, включающая откачку до давления 10-7 мм.рт.ст.;
* сборка вакууммированной камеры с электромагнитом;
* замеры параметров и отбраковочные испытания;
* нанесение защитных покрытий и маркировка;
* цеховые испытания;
* приемо-сдаточные испытания.
Характер зависимости тока от частоты (рис.3) обусловлен увеличением с ростом частоты потерь мощности в металлических токоведущих элементах и диэлектрических деталях реле, данные приведены для максимально допустимой температуры нагрева 125°С.
Основные параметры реле поляризованного типа при нормальных климатических условиях приведены в таблице.
По функциональному назначению вакуумные реле В1Д-4В, В1Д-5В, В1Д-6В, В2Д-1В являются однополюсными на одно направление, т.е. имеют один подвижный и один неподвижный контакт. Реле П1Д-5В, П2Д-3В – это однополюсные на два направления, т.е. они имеют один подвижный и два неподвижных контакта.
По техническому уровню вакуумные реле, разработанные и выпускаемые в НИИЭМП, соответствуют лучшим зарубежным образцам и предназначены для применения в режиме бестоковой коммутации высокочастотных цепей в стационарных, самолетных, вертолетных, автомобильных и переносных радиостанциях, судовых и береговых автоматизированных комплексах связи, комплексах радиоэлектронного противодействия.
Литература
1 Пат. № 2066891 РФ. Высоковольтный вакуумный переключатель / Бочкарев В.С., Коновалов А.Т., Кулаков М.М., Кузнецов Н.А. – Опубл. в Б.И. № 26, 20.09.96.
2 Пат. № 2076371 РФ. Высоковольтный вакуумный переключатель./ Бочкарев В.С., Коновалов А.Т., Кулаков М.М., Кузнецов Н.А. – Опубл. в Б.И. № 9, 27.03.97.
Отзывы читателей
