Ugrás a tartalomhoz

Finommechanikai elemek

Dr. Halmai Attila (2012)

EDUTUS Főiskola

6. fejezet - Villamos kötések

6. fejezet - Villamos kötések

A villamos kötésekről általánosságban

A villamos kötések külön csoportot képeznek, mert ezeknél nem az alkatrészek mechanikai összekötése az elsőrendű szempont, hanem a villamos érintkezés biztosítása. Másodrendű követelményként néha a mechanikai kötés is előtérbe kerülhet, de mindenképpen a villamos kötés lesz a fő szempont. Ezek a kötések azért fontosak, mert a mechatronikai szerkezetekben a meghibásodások jelentős részét még ma is a mechanikus kontaktusok okozzák. Ebből következik az a törekvés, hogy a megbízhatóság növelésének érdekében lehetőleg csökkenteni kell a mechanikus érintkezések számát. Nagy részben ez vezetett ahhoz a tendenciához, hogy a mechanikus érintkezéseket, kontaktusokat egyre inkább félvezetőkkel oldják meg. Jó példa erre a jelfogók (relék) esete, amik eredményeképpen ma már elterjedten használják a mozgó alkatrész nélküli szilárdtest-reléket.

Egyszerű villamos érintkezőpár modellje

A 6.2.1. ábrán egyszerű villamos érintkezőpár vázlatát láthatjuk. A probléma az, hogy az érintkezés helyén a felületek általában szennyezettek, és az érintkezés sohasem egy felületen, hanem pontszerűen, a mikrogeometriai viszonyoknak megfelelően hol itt, hol ott jön létre. Az érintkezési pontban − mivel a keresztmetszet lecsökken − az áramsűrűség jelentősen megnő, emiatt az érintkezőben egy úgynevezett szűkületi ellenállás keletkezik. Emellett a tisztátalan érintkező felületek miatt is megnő az ellenállás, amely hozzáadódva a szűkületi ellenálláshoz az érintkezőkre jellemző ún. átmeneti ellenállást eredményezi.

6.2.1. ábra Forrás: BME MOGI

Vizsgáljuk meg az érintkezés mikroszkopikus képét! Ennek modelljét a 6.2.22. ábra mutatja.

6.2.2. ábra Forrás: Bárány

Az 1-gyel jelölt részek mutatják a tiszta fémes érintkezést, a 2-vel jelölt területek az ún. kvázifémes érintkezés felületei, ahol a szennyező agyagok olyan vékonyak, hogy a felületen szinte monomolekuláris réteget alkotnak, többnyire nemfémes anyagokból és oxidokból, szulfidokból állnak. Ezt a réteget a folyó áram időnként átütheti (idegen szóval frittelésnek nevezik), ami máris megmagyarázza, hogy egy egyszerű érintkezőpár működhet zajforrásként is. A 3-mal jelzett felületeknél a felületek összeérnek ugyan, de itt a szigetelőhártya (oxidok, szulfidok) már olyan vastag, hogy áramvezetés nincs is. A 4-gyel jelzett felületek pedig a mikrogeometriai egyenlőtlenségek miatt fizikailag egyáltalán nem is érintkeznek egymással. Fentieket úgy kell elképzelni, hogy az egyes érintkezési típusok közötti határvonalak nem élesek, és helyüket állandóan változtatják, hiszen a legtöbb érintkezőpár a villamos ívképződés miatt erodálódik, elhasználódik, mikroméretű szemcsék válnak le, vagy az érintkező anyag az ív magas hőmérséklete miatt mikroméretekben, de mégis elpárolog. Az átmeneti ellenállás időbeli változására mutat példát a 6.2.3. ábra.

6.2.3. ábra Forrás: Wikipédia

Az átmeneti ellenállásnak legfontosabb jellemzője, hogy rendkívül sok paramétertől függ, amelynek értékét rendszerint nem ismerjük, emiatt az átmeneti ellenállás értékét nem is lehet egzakt módon matematikailag leírni. Következésképpen az átmeneti ellenállás értéke soha nem állandó. Egy támpontot azonban lehet találni: az átmeneti ellenállás csökkenthető, ha az érintkezőket összeszorító erő nagyságát növeljük (az összes többi paraméter változatlansága esetén). Ennek az az egyszerű magyarázata, hogy a pontszerű érintkezéseknél a kis felület miatt óriási felületi nyomások lépnek fel, ennek következtében az érintkező anyag megfolyik, ezzel megnő a keresztmetszet és csökken az átmeneti ellenállás.

6.2.4. ábra

A következtetés tehát az, hogy olyan konstrukciókat kell készíteni, amiknél az érintkezőket lehetőleg minél nagyobb erők szorítják össze.

Csavarozott villamos kötések

A csavarozott villamos kötések az oldható, erővel kötések közé tartoznak, olyan helyeken célszerű alkalmazni, ahol a kötés oldhatósága fontos követelmény. A csavarkötések modelljét a 6.3.1. ábra mutatja. Ennek lényege, hogy mind a csavar, mind az összeszorítandó alkatrész rugalmassággal rendelkezik, és a csavar meghúzásakor mindkettő deformálódik. A villamos kötések szempontjából a kérdés csak az, hogy ezek a rugalmas deformációk mekkorák, és hogy minden esetben fenn tud-e maradni az érintkezőket összeszorító erő, ami az előzőek szerint is nagyon fontos az átmeneti ellenállás szempontjából.

6.3.1. ábra Forrás: BME ETT

Közvetlen csavarkötések

A legegyszerűbb kötés a közvetlen csavarkötés, amikor a csavarfej alá közvetlenül fektetjük a villamos vezetéket. Tömör vezeték esetében ez a legrosszabb megoldás, mert a viszonylag kis rugalmasságok miatt a használat során az érintkező anyagokat összeszorító erő megszűnhet (például nagymértékű hőmérséklet-ingadozásnál az anyagok különböző hőtágulási együtthatója miatt). Ez a kötésmód tehát nem ajánlható, de ha mégis ezt kell alkalmazni, ügyeljünk a tömör drót szemének meghajlításánál arra, hogy a csavar meghúzásakor a drót inkább rátekeredni, mint letekeredni kényszerüljön (6.3.1.1. ábra), és hogy lehetőleg minél nagyobb fejű csavart használjunk.

6.3.1.1. ábra Forrás: BME ETT

A 6.3.1.2. ábrán látható egy közvetlen csavarkötés keresztmetszete. Belátható, hogy tömör rézvezető esetében szinte semmi rugalmasság nincs a kötésben, a kilazulás veszélye nagy.

6.3.1.2. ábra

6.3.1.3. ábra Forrás: BME MOGI

Közvetett csavarkötések

Indirekt vagy közvetett csavarkötéseknél a szorítóerőt alátét vagy lemezdarab közvetíti, amivel a kötés rugalmasságát növeljük meg.

6.3.2.1. ábra Forrás: BME MOGI

A villanyszerelésnél is alkalmazott sorozatkapocs (becenevén csoki) vázlatát a 6.3.2.1. ábrán, képét a 6.3.2.2. ábrán mutatjuk be.

6.3.2.2. ábra Forrás: Wikipédia

Nyomtatott áramköri lemezekhez használatos közvetett csavaros csatlakozó képét mutatja a 6.3.2.3. ábra.

6.3.2.3. ábra Forrás: Wikipédia

Az elektrotechnikában és az elektronikában is elterjedten használják a sodrott huzalokat. Ezek kötése megbízhatóbb szokott lenni, mert a sodrott huzal elemi szálai megannyi rugóként fogható fel (6.3.2.4. ábra), és így a kötésnél a rugalmasságot növelik. Soha nem szabad a sodrott huzal szálait a végén összeforrasztani, és csavaros kötést alkalmazni, mert ezzel a megoldással a kötés rugalmatlan lesz, és könnyen kilazul.

6.3.2.4. ábra Forrás: BME MOGI

A sodrott huzalok csavaros kötésénél a csavar meghúzásakor a csavar vége könnyen elnyírhatja az elemi szálakat. Ennek megakadályozására a csavar vége alá lemezdarabot kell helyezni. Erre mutat példát a 6.3.2.5. ábra.

6.3.2.5. ábra Forrás: Wikipédia

A nyírás elkerülésére az utóbbi években elterjedt az érvéghüvelyek alkalmazása. Ezeket különböző vezeték-keresztmetszetekhez hozzák forgalomba (6.3.2.6. ábra).

6.3.2.6. ábra Forrás: Wikipédia

Az érvéghüvelyeket speciális szerszámmal, maradó deformációval szorítják rá a sodrott vezetékre. A megoldás előnye, hogy ilyenkor közvetlen csavarkötés alkalmazható, a csavar nem nyírja el a sodrott vezeték elemi szálait, és az érvéghüvely valamelyest növeli a rugalmasságot is.

Rugalmas érintkezők

Mint azt az előzőekben láttuk, még a csavaros kötéseknél is elvárjuk, hogy a kötésnek legyen valamekkora rugalmassága. A következőkben olyan érintkezőkről lesz szó, ahol a rugalmas elemeknek nagyobb jelentőségük van.

Késes és rugalmas érintkezők

A rugalmas érintkezők kifejlesztésének legfontosabb szempontja az volt, hogy lehetőleg minden esetben fennmaradjon az érintkezőket összeszorító erő. A 6.4.1.1. ábrán látható lapos csúszócsatlakozót elterjedten használják például az autóiparban és a háztartási gépeknél.

6.4.1.1. ábra Forrás: BME MOGI

Itt kell említést tenni az érintkezők olyan kialakításáról, amelynél az érintkezés létrejöttekor egyidejűleg egy szorítóerőre merőleges irányú csúsztatás is létrejöjjön. Ekkor az érintkező bizonyos fokig öntisztítóvá válik, ugyanis az összecsúsztatáskor a felületi szennyeződéseket az összecsúsztatás eltávolítja, és így tiszta fémes érintkezés jön létre. Ennek az elvnek felelnek meg a késes csatlakozók, ezek működési alapelvét a 6.4.1.2. ábra mutatja.

6.4.1.2. ábra Forrás: BME ETT

A késes csatlakoztatás elvét előszeretettel használják a számítástechnikában, de ide tartoznak a banándugós csatlakozásokon (6.4.1.3. ábra) keresztül a telefon, a számítástechnikai, híradástechnikai vagy a közönséges háztartási csatlakozók (konnektorok, 6.4.1.4. ábra) is.

6.4.1.3. ábra Forrás: Wikipédia

6.4.1.4. ábra Forrás: Wikipédia

Néhány rugalmas csatlakozó megoldását mutatja a 6.4.1.5. ábra. Az a) ábra szerinti megoldásnál elegendő, ha a letisztított drótvéget befűzzük a furatba, és a nyomógombot felengedjük. A b), c) és d) ábráknál a rugalmas elem biztosítja az állandó szorítóerőt.

6.4.1.5. ábra Forrás: Krause

A számítástechnikában és a szórakoztató elektronikában is gyakran alkalmaznak dugós vagy tűs csatlakozókat. Ilyen például a laptopok tápfeszültség-ellátó vagy a PC-k tápfeszültség-csatlakozói (6.4.1.6. ábra).

6.4.1.6. ábra Forrás: Wikipédia

A 6.4.1.7. ábrán az audio- és videotechnikában használt ún. RCA-csatlakozók láthatók.

6.4.1.7. ábra Forrás: Wikipédia

A szintén az audio- és videotechnikában használt ún. Jack-csatlakozókat (van 2,5 mm-es, 3,5-es és 6,3 mm átmérőjű) a 6.4.1.8. ábra mutatja.

6.4.1.8. ábra Forrás: Wikipédia

Régebben az audiotechnikában előszeretettel használták az ún. DIN-csatlakozókat. Ezek pólusszáma 3-tól 6-ig terjedt. Ma inkább a mini változatot használják (6.4.1.9. ábra).

6.4.1.9. ábra Forrás: Wikipédia

A következő, 6.4.1.10. ábrán elektronikus műszerek (például oszcilloszkóp) csatlakozóját (BNC-csatlakozó) láthatjuk.

6.4.1.10. ábra Forrás: Wikipédia

A mikroelektronikában (például a számítógépekben) az anyakártyára merőlegesen különféle áramköri modulok csatlakoztathatók. Ezek a csatlakozók is késes rendszerűek (6.4.1.11. ábra).

6.4.1.11. ábra Forrás: Wikipédia

Az integrált áramköröket nem mindig forrasztják be az alaplemezbe, hanem gyakran csak a foglalatot forrasztják be, és az áramkört ebbe nyomják be szintén késes csatlakozással (6.4.1.12. ábra).

6.4.1.12. ábra Forrás: Wikipédia

Az internet terjedésével egyre többször találkozunk a telefoncsatlakozóval (6.4.1.13. ábra).

6.4.1.13. ábra Forrás: Wikipédia

Elsősorban kábelek csatlakozásánál használják a tűs csatlakozókat, amikből nagyon sokféle van, ezekre egy példát a 6.4.1.14. ábra mutat.

6.4.1.14. ábra Forrás: Wikipédia

A számítástechnikában elterjedt a szalagkábelek használata. Ezeket általában nem forrasztják, hanem a 6.4.1.15. ábra szerint kialakított egyszer szerelhető, részben a késes elven, részben a sodrott elemi vezetőkből álló rugalmas kötést adó módon szerelik. Szalagkábel csatlakoztatását mutatja a 6.4.1.16. ábra.

6.4.1.15. ábra Forrás: Krause

6.4.1.16. ábra Forrás: Wikipédia

A memóriakártyák (csipkártyák) csatlakoztatásánál laprugók (rendszerint aranyozott laprugók) gondoskodnak az állandó érintkező nyomásról. Megjegyzendő, hogy a csatlakoztatásnál itt is alkalmazzák a késes érintkező kialakítási elvének öntisztító funkcióját (6.4.1.17. ábra).

6.4.1.17. ábra Forrás: Wikipédia

Védett érintkezők

Az érintkezők élettartamát, megbízhatóságát jelentősen növelni lehet, ha az érintkezők környezetéből az oxigént kizárjuk. Ilyen érintkezők a védőgázos (idegen szóval reed) érintkezők. Lényegük, hogy az érintkezők hermetikusan lezárt, argon- vagy nitrogéntöltésű üvegcsőben helyezkednek el. Fontos követelmény, hogy az érintkezők anyaga (illetve annak belső része) ferromágneses anyagból legyen, mert a működtetés mágneses térrel történik (6.4.2.1. ábra).

6.4.2.1. ábra Forrás: Bárány

A védett kontaktusok nemcsak állandó mágnessel, hanem elektromágnessel is működtethetők. A 6.4.2.2. ábra azt mutatja, hogy az érintkezők átmeneti ellenállása hogyan változik a működtető elektromágnes amper menetszámának függvényében. Látható, hogy minél nagyobb az érintkezőket összeszorító erő, annál kisebb lesz az átmeneti ellenállás, és az is, hogy az ampermenetszám növelése csak egy bizonyos határig célszerű.

6.4.2.2. ábra Forrás: Bárány

Egy valóságos reed érintkezőt mutat a 6.4.2.3. ábra.

6.4.2.3. ábra Forrás: Wikipédia

A védett érintkezőjű kontaktusokat előszeretettel használják riasztórendszerekben. Működtetésük rendszerint állandó mágnessel történik, és mechanikai mozgással jár együtt (6.4.2.4. ábra).

6.4.2.4. ábra Forrás: Bárány

A reed érintkezőket elektromágnessel létrehozott mágneses térrel is lehet működtetni (relé, 6.4.2.5. ábra). A b.) és c.) esetben az elektromágnesnek le kell győznie az állandó mágnesek hatását.

6.4.2.5. ábra Forrás: Bárány

A reed érintkezők működésével kapcsolatban fontos megjegyezni, hogy a mágneses tér növelésével az érintkezők egymáshoz közelednek, miáltal a mágneses ellenállás rohamosan csökken, így az átbillenés lavinaszerűen következik be. Fentiekből az is következik, hogy a bekapcsolás és az elengedés nem ugyanannál a mágneses térnél következik be, az ebből eredő hiszterézis jelentős mértékű is lehet.

Régebbi megoldás a higanykapcsoló (6.4.2.6. ábra), ahol a ki- és bekapcsolás az üvegcső különböző irányú döntésével történik.

6.4.2.6. ábra Forrás: Wikipédia

Rugalmas kötések

A rugalmas kötések tulajdonképpen az erővel kötések közé tartoznak. Az ilyen kötéseknek vannak olyan változatai, amiknél a cél a csavarmentes szerelés. Ezeknél a rugalmas elem (laprugó) úgy van kialakítva, hogy a csatlakoztatás könnyű, a kihúzás nehéz (az akadás miatt sokszor lehetetlen) legyen (6.4.3.1. ábra).

6.4.3.1. ábra Forrás: Wikipédia

Tekercselt (wire-wrap) kötések

A villamos kötések külön csoportját képezik a tekercselt (a szakzsargonban wire-wrap) kötések. A kötés lényegét maradó alakváltozással hozzák létre, de a kötésnél jelen van a rugalmas alakváltozás is. A tekercselt kötés készítésének elvét a 6.5.1. ábra mutatja. A kötéshez mindig egy prizmatikus (legtöbbször négyzet, de sohasem kör) keresztmetszetű tüske (kivezető), kör keresztmetszetű huzal, és egy tekercselés közben állandóan ható erő szükséges.

6.5.1. ábra Forrás: BME ETT

A kötés axonometrikus rajzát egy menettel a 6.5.2. ábra szemlélteti. Egy menetet azonban soha nem szabad készíteni, részben a visszarugózás miatt, részben az elégtelen érintkezési keresztmetszet miatt.

6.5.2. ábra Forrás: BME ETT

Eszerint a kötés részletesebb vizsgálatából kiderül, hogy a jó minőségű wrap-kötéseknél akkora nyomófeszültség ébred az élek és a huzal belső felülete között, hogy az anyag vagy anyagok megfolynak, azaz maradó alakváltozást szenvednek (6.5.3. ábra). Az egymással érintkező felületek ugyan kicsik, de kb. 4 menet, azaz 16 kontaktus esetén az összeérő felületek nagysága eléri a drótkeresztmetszetet. A kötés szokásos átmeneti ellenállása Rátm= 1−5 mΩ között van. A több menet alkalmazásának másik oka, hogy az első és utolsó menetek az anyag rugalmassága miatt kirugóznak (6.5.4. ábra), tehát lesznek sarkok, ahol egyáltalán nincs érintkezés.

6.5.3. ábra Forrás: BME ETT

6.5.4. ábra Forrás: BME ETT

6.5.5. ábra Forrás: BME ETT

Egy kivezetőtüskén elhelyezkedő két tekercselt kötést mutat a 6.5.5. ábra, egy valóságos kötés képe pedig a 6.5.6. ábrán látható.

6.5.6. ábra Forrás: Wikipédia

Krimpelt (sajtolásos) kötések

Ezeket a kötéseket maradó alakváltozással hozzák létre, jellemzően oldhatatlan kötési mód. A maradó alakváltozás mellett persze bizonyos visszarugózás (rugalmas alakváltozás) is létrejön, ami rendszerint káros, a kötés megbízhatóságát csökkenti. A sajtolásos kötéseknél ritkábban tömör, gyakrabban sodrott vezetékeket csatlakoztatunk egymáshoz, vagy valamilyen csatlakozó elemhez (például kábelsaruhoz) külön kötőelem nélkül úgy, hogy az elemeket maradó deformációval összenyomjuk vagy egymásba sajtoljuk. A maradó deformáció során az anyag felkeményedik, keménysége nő, de a kötésben mégis marad annyi rugalmasság, hogy erővel kötés jöhessen létre. A 6.6.1. ábra foglalja össze, hogy a deformáció nagyságával hogyan függ össze a sajtolóerő, a keménység, az átmeneti ellenállás és a kihúzási erő.

6.6.1. ábra Forrás: BME ETT

A gyakorlatban leginkább sodrott vezetékeket kötünk egy csatlakozó elemhez, ennek néhány változatát mutatja a 6.6.2. ábra.

6.6.2. ábra Forrás: BME ETT

A sajtolásos kötéseket gyakran használják a járműiparban, háztartási gépeknél és számítástechnikai berendezéseknél is.

Forrasztott kötések

E fejezetben csak a villamos kapcsolatot létrehozó forrasztott kötésekkel foglalkozunk, ahol mechanikai (finommechanikai) kötésekről van szó, ezeket az „anyaggal kötések” c. fejezetben tárgyaljuk.

Forrasztás áramló forraszanyaggal (hullámforrasztás)

A forrasztásnak ez a fajtája az elektronikai technológia egyik legelterjedtebb eljárása, elsősorban a furatszerelt nyomtatott áramköri lemezek (PCB, printed circuits board) forrasztott kötéseinek létrehozásánál alkalmazzák. Jellegzetes tömeggyártási technológia.

6.7.1.1. ábra Forrás: BME ETT

6.7.1.2. ábra Forrás: www.iupui.edu, www.sinoever.com

A megolvadt forraszfürdőben keletkezett hullám éle felmelegíti és bevonja a vízszintes irányban mozgó áramköri lap előre ónozott forrasztási helyeit (6.7.1.1. ábra). A forraszhullámot egy szivattyú hozza létre, ami a megömlesztett forraszanyagot keringeti, illetve nyomja keresztül egy résen. Ennek következtében egy folyamatosan mozgásban lévő hullám keletkezik, aminek az alakja a réskiképzéstől függ. A legegyszerűbb berendezések ómega alakú hullámot állítanak elő. Az áramköri lapokat 0,5−3 m/min sebességgel húzzák át a forraszhullámon. Az áramló folyékony forraszt a szennyeződéstől (fémrészecskéktől és oxidoktól) állandóan tisztítják, ennek következtében viszonylag nagy a felhasznált forraszanyag mennyisége. Mivel a technológia az áramköri lapok folyamatos mozgását igényli, a forrasztási művelet előtt egy folyasztószer felhordási, előmelegítési, utána pedig egy lehűlési zónát szokás elhelyezni. A hullámforrasztást gyakran két fázisra osztják: az első, ahol az ómega- hullámmal létrehozzuk a forrasztott kötést, a második az ún. lambda-hullám, amelynél a forraszanyag ismét megolvad, és a hullám alakja olyan, hogy eltávolítja a forrasztott kötésekről a felesleges forraszanyagot. A hullámforrasztási technológiával nagy termelékenység érhető el (6.7.1.2. ábra).

Újraömlesztéses (reflow) forrasztás

Az újraömlesztéses forrasztást elsősorban az elektronikai technológiában a felületszerelt áramköri lapok (surface mounting technology, SMT) forrasztására használják. Korszerű és nagy termelékenységet biztosító, tömeggyártásra alkalmas technológia.

Az újraömlesztéses forrasztás lényege az, hogy a forraszanyagot a forrasztást megelőzően viszik fel a lemez kontaktusfelületeire. A forrasztott kötés pedig úgy jön létre, hogy az egész szerelőlapot (esetleg csak a forrasztott kötés helyét) a forraszanyag hőmérséklete fölé melegítik, azaz a forraszanyagot megömlesztik.

A forraszanyagot leggyakrabban paszta formájában, ritkábban szilárd előformált alakban viszik fel a szerelőlapra. A forraszanyag előre felvitele megoldható úgy is, hogy a forrasztani kívánt felületekre vastag forraszréteget visznek fel, például mártó eljárással. Az újraömlesztéses forrasztás típusait a szerint különböztetjük meg, hogy a megömlesztéshez szükséges hő közlése milyen módon történik.

A forró lapos forrasztás: A forró lapos (hot plate) forrasztás lényege, hogy szabályozott hőmérsékletű fűtőasztal ömleszti meg a forraszt. Az eljárás hátránya, hogy csak egy oldalról megy végbe a hőátadás. Tömeges forrasztásra (nagyszámú alkatrész egyidejű beforrasztására) alkalmas.

Infrasugaras forrasztás: A forrasz megömlesztése infrasugárzással történik. Az infrasugárzók a szerelőlemez mindkét oldalát melegíthetik, tehát ilyenkor a hőátadás kétoldali.

A gőzfázisú újraömlesztéses forrasztás: A gőzfázisú újraömlesztéses forrasztás elve az, hogy a forrasz olvadáspontjánál 20−30 °C-kal magasabb forráspontú szerves vegyület gőzterében a szerelt lemezen lecsapódik a gőz. Látens hőjét átadja, ennek hatására az alkatrész felmelegszik, a forrasz megolvad, és a felületek nedvesítését követően létrejön a forrasztott kötés. Tömeges forrasztásra alkalmas.

Lézersugaras forrasztás: A forrasz megömlesztése lézersugárral történik. Leggyakrabban CC2- és YAG-lézert alkalmaznak. Előnye a rövid forrasztási idő 40–6000 ms, továbbá az, hogy csak a forrasztási hely és közvetlen környezete melegszik fel. A technológia hátránya, hogy csak tökéletesen forrasztható felületek esetén alkalmazható.

Villamos fűtésű eszközökkel végzett újraömlesztéses forrasztás: Ez a pákaforrasztás továbbfejlesztett változata, ami egy vagy több forrasztási hely egyidejű melegítésére alkalmas. Tipikus példája az ellenállásfűtéses forrasztás (vasalóforrasztás). Itt a szerszám a forraszanyag által nem nedvesíthető fémből készült fej, amit árammal fűtenek. A forrasztófej hőmérsékletét szabályozzák. Ezeket a fejeket a forrasztó berendezés segítségével előre beállítható nyomással lehet a forrasztási pontra, ill. pontokra rányomni. Ennek segítségével jön létre a forrasztási folyamat.

6.7.2.1. ábra Forrás: Wikipédia

A 6.7.2.1. ábrán egy felületszerelt áramköri lap részlete látható, amin a kötéseket újraömlesztéses technológiával hozták létre.

Termokompressziós kötések

A termokompressziós kötés a félvezető technológia (tranzisztorok, integrált áramkörök gyártása) egyik jellemző kötésmódja. Jellemzője, hogy idegen (adalék-) anyagot nem használ, Ilyen értelemben tehát a hegesztésekhez sorolható. Jellemzően két meghatározott anyag között hozzuk létre: az egyik a szilícium, amiből a félvezető aktív áramkörök (Si-csipek) készülnek, a másik anyag az arany, amiből a kivezető huzalok készülnek. Az eljárás lényege, hogy a kötés létrehozásához nemcsak külső hőhatást használunk, hanem nagymértékű mechanikai alakváltozást is. Köztudott, hogy az anyagok deformációja a belső súrlódás következtében hő keletkezésével jár. A kötés létrehozása mintegy 180−220 °C-os semleges gáz- vagy nitrogénkörnyezetben történik. A leggyakoribb ún. golyós kötés fázisait a 6.8.1. ábra mutatja.

6.8.1. ábra Forrás: BME ETT

Az aranyhuzal átmérője tipikusan 25 μm, aminek végén hidrogén szúrólánggal vagy elektromos ívvel egy gömböt hozunk létre. Az arany olvadáspontja 1063 °C, ha megolvad, a felületi feszültség létrehozza a gömböt. Ezután a gömböt a kapillárist tartalmazó szerszámmal a kontaktálandó felület fölé visszük. A kapillárist leengedve a kis méretek miatt az anyagban igen nagymértékű maradó alakváltozás jön létre, ami az összekötendő felületek hőmérsékletét annyira megnöveli, hogy az érintkezésnél a hőmérséklet a két anyag eutektikumjánál magasabb hőmérsékletre kerül, és így diffúziós kötést hoz létre.

6.8.2. ábra Forrás: Wikipédia

Érdemes megnézni a két anyag fázisdiagramját (6.8.2. ábra), amiből kitűnik, hogy a szilícium 1412 °C-os és az arany 1063 °C-os olvadási hőmérsékletének ellenére az eutektikum 363 °C-on olvad meg. Ezt használja ki a termokompressziós technológia, aminek lényege, hogy a környezet hőmérsékletét (ami itt 180−220 °C-os hőmérsékletet jelent) a gyors és nagymértékű alakváltozás lokálisan (csak ott, ahol kell) az eutektikus hőmérséklet fölé emeli, és ezzel megteremti a lehetőségét az eutektikum kis helyen történő létrejöttének. Mivel a nagyobb hőmérséklet csak lokálisan, a nagymértékű deformáció helyén jön létre, nem károsodik a félvezetőben már kialakított, pn átmeneteket tartalmazó struktúra. Golyós kötés mikroszkopikus képét mutatja a 6.8.3. ábra.

6.8.3. ábra Forrás: BME ETT

A golyós kötés mellett elterjedten használják még az ékes kötést, és az eljárást gyakran kombinálják ultrahangos rezgetéssel is. Az ultrahangos kötési módot a 3.1.4. fejezetben tárgyaljuk.

A villamos érintkezők anyagai

A villamos érintkezők anyagai iránt támasztott követelmények a következők:

  • jó villamos vezetőképesség,

  • korrózióállóság,

  • kopásállóság.

Mivel olyan anyag nincs, ami minden feltételnek megfelelne, sokféle érintkező anyag létezik, amik közül mindig a relatív optimumot kell választani.

Tájékoztatásul felsorolunk néhány érintkezőanyagot, aminek ötvözeteit előszeretettel használják villamos érintkezők számára.

  • Ag, ezüst, a legjobb vezetési tulajdonságokkal rendelkezik, de oxidja és szulfidja miatt önállóan nagyon ritkán alkalmazzák. Jól forrasztható.

  • Au, arany, nem oxidálódik, de eléggé puha. Jól forrasztható.

  • Ni, nikkel, nem oxidálódik, jól forrasztható,

  • Pt, platina, nem oxidálódik,

  • Pd, palládium, csak ötvözeteiben használják,

  • Cu, réz, önállóan nem használják, jól forrasztható,

  • Rh, ródium, védőrétegként használják, pl. aranyra,

  • W, wolfram, ötvözeteiben használják,

  • Zn, cink, ötvözeteiben használják,

  • Sn, ón, ötvözeteiben használják,

  • Ir, irídium, szintén ötvözeteiben használják.

A lista nem teljes, még egyszer hangsúlyozzuk, hogy a feladat (például igen kis feszültségek vagy csúszóérintkezés stb.) határozza meg, hogy a feladatra milyen érintkezőanyagot célszerű használni.

Kapcsolók

Az ideális kapcsolótól azt várjuk el, hogy kikapcsolt esetben végtelenül nagy legyen a szigetelési ellenállása, és bekapcsolt esetben zérus legyen az átmeneti ellenállása. Mindezek mellett az átkapcsolási folyamat végtelenül gyors legyen. Ezek a követelmények a valóságos kapcsolóknál csak többé-kevésbé teljesülnek, a gyakorlati alkalmazásoknál néha a végtelen gyors kapcsolás kifejezetten hátrányos lenne. A kapcsolók általában finommechanikai szerkezetek.

Billenőkapcsolók

A kapcsolóknak az is feladatuk, hogy lehetőleg ne jöjjön létre bizonytalan helyzet, azaz a kapcsoló mozgó alkatrésze ne legyen képes megállni az érintkezők között. Ezért finommechanikai billenőszerkezeteket alkalmazunk, aminek tipikus példáját a 6.10.1.1. ábra mutatja. A 3. működtető kar elmozdításával az 5. nyomórugó még jobban összenyomódik, és amikor a működtető kar túllendült a semleges helyzeten (a semleges helyzetnél a három csapágyazási pont egybeesik), a 4. mozgó érintkező átugrik a 2. álló érintkezőre. Az érintkező nyomást áttételesen a nyomórugó biztosítja.

6.10.1.1. ábra Forrás: Bárány

Egy tipikus billenő kapcsoló szerkezetét a 6.10.1.1. ábra mutatja. Ebbe a családba tartoznak a háztartási villanykapcsolók is, azzal a megjegyzéssel, hogy a gyártók gyakran nagyobb figyelmet szentelnek a külső megjelenésre, mint a billenő tulajdonságok biztosítására. A jó billenő tulajdonság azt jelenti, hogy ilyenkor a finommechanikai szerkezet súrlódási veszteségei kicsik, a csapágyazásoknál megjelenik az élágyazás és a rugalmas csapágyazás.

6.10.1.2. ábra Forrás: wikpedia

A billenőkapcsoló szerkezetét a 6.10.1.2. ábra, képét a 6.10.1.3. ábra mutatja.

6.10.1.3. ábra Forrás: wikpedia

Mikrokapcsolók

Ezeket a kapcsolókat nem azért nevezik mikrokapcsolónak, mert a szerkezet kicsi, hanem azért, mert a működtetéshez szükséges útkülönbség nagyon kicsiny, 0,1−1 mm. Méreteik különbözőek, egy miniatűr kivitelt mutat a 6.10.2.1. ábra.

6.10.2.1. ábra Forrás: Wikipédia

A mikrokapcsolók elméleti jelleggörbéit (a működtető elemre ható erőhatást a működtető elem elmozdulásának függvényében) mutatja a következő, 6.10.2.2. ábra.

6.10.2.2. ábra Forrás: Bárány

Az ábrából látható, hogy a kioldási helyzet nem esik egybe a kapcsolási helyzettel. Ez a tulajdonság minden mikrokapcsolóra jellemző. A mikrokapcsolók finommechanikai szerkezetek, úgy tervezik ezeket, hogy a működtetés során keletkező súrlódási veszteségek minél kisebbek legyenek, ezért rugalmas csapágyazásokat és élágyazásokat tartalmaznak. Ennek ellenére a valóságos mikrokapcsolók jelleggörbéje sokszor jelentősen eltérhet az elméleti jelleggörbétől, mint ahogyan azt a 6.10.2.3. ábrán bemutatott, méréssel meghatározott jelleggörbe mutatja.

6.10.2.3. ábra Forrás: Bárány

A legfontosabb eltérések a következők: a jelleggörbe nem nullából indul, a rendszer előfeszített; a bekapcsolási és elengedési görbék nincsenek fedésben egymással, mert a rendszerben súrlódások vannak; és a véghelyzetet rendszerint egy felütközés határolja. A mikrokapcsolók billenő mechanizmusának van egy kellemetlen tulajdonsága: a működtető elem benyomásával, ahogyan a kapcsolási folyamat elmozdul a kapcsolási helyzet felé, az érintkezőket összeszorító erőhatás csökken, az átpattanás helyzete előtt nullává válik. Az átmeneti ellenállás emiatt jelentősen megnőhet. A visszafutás esetén a másik érintkezőpárnál ugyanaz a helyzet áll elő. Ezt a jelenséget mutatja a 6.10.2.4. ábra.

6.10.2.4. ábra Forrás: Bárány

Egy ómega-rugós mikrokapcsoló szerkezetének vázlatát és a megvalósított kapcsoló képét mutatja a 6.10.2.5. ábra.

6.10.2.5. ábra Forrás: Bárány

A szerkezet meghatározó eleme a 3. ómega alakú rugó, ami a rendszert szétfeszíteni igyekszik. A 4. mozgó érintkezőnél és az ómega-rugó mindkét végén a súrlódási veszteségek csökkentésére élágyazásokat alkalmaznak. Az érintkezők összeszorítására szolgáló erőhatások az ómega-rugó feszítőhatásából származnak.

A mikrokapcsoló-mechanizmusok második leggyakrabban alkalmazott típusa a szigonyrugós konstrukció. A szigonyrugó egy darabból készül, és rugalmas csapágyazással, valamint élágyazással működik (6.10.2.6. ábra).

6.10.2.6. ábra Forrás: Bárány

Az ábrán 1. az alapérintkező, 2. a munkaérintkező, 3. a szigonyrugó, 4. az élágy. Ritkábban alkalmazott szerkezet a szimmetrikus típus (6.10.2.7. ábra), aminek hátránya a kétszeres átmeneti ellenállás, másrészt nincs közös érintkező, ami áramkörileg előnyös tulajdonság lehet.

6.10.2.7. ábra Forrás: Bárány

A szimmetrikus típus alkatrészei: 1. munkaérintkező, 2. alapérintkező, 3. érintkezőtartó, 4. rugalmas híd, 5. csavarrugó.

6.10.2.8. ábra Forrás: Bárány

A 6.10.2.8. ábra mutatja a szintén nem gyakori hengeres, húzórugós konstrukció vázlatát, ahol 1. az alapérintkező, 2. a munkaérintkező, 3. az érintkezőtartó, 4. az élágy, 5. a húzórugó.

6.10.2.9. ábra Forrás: Bárány

Különleges megoldásnak számít a kettős pattanórendszerrel működő mechanizmus (6.10.2.9. ábra). Létrehozását az indokolta, hogy szétválasztásra kerüljön a mechanikai feladat: az átpattanás, és a villamos feladat: az átkapcsolás. Az első, mechanikai pattanórendszernél érdektelenné válik, hogy a működtetés során az érintkezők közötti nyomás nullává válik, hiszen itt nem folyik áram. A második, villamos pattanórendszernél viszont sohasem lesz nulla az érintkezőket összeszorító nyomás. A magyarázat: 1. alapérintkező, 2. munkaérintkező, 3. érintkezőtartó, 4. élágy, 5. nyomórugó (ez az első pattanórendszer), 6. rugalmas elem, 7. billenőkar (ez a második pattanórendszer).

A felületszerelési technológiával kifejlesztésre kerültek olyan nyomógombok, ahol az átbillenést pattanó membránnal oldották meg. Ebben a felfogásban ezek is a mikrokapcsolók családjába sorolhatók. Ezekkel általában csak egy áramkör zárható, és az áramterhelés jellemzően kicsiny, viszont a szerkezet rendkívül egyszerű. Ilyen felületszerelésre alkalmas nyomógombokat mutat a 6.10.2.10. ábra.

6.10.2.10. ábra Forrás: Wikipédia

Tolókapcsolók

Külön kapcsolócsaládot alkotnak azok a kapcsolók, amiknél a működtetésénél nem átbillentést (csapágyazást), hanem egyenes vezetéket használunk. Ezek a tolókapcsolók (6.10.2.11. ábra). Sokféle kivitelben készülnek, közülük azok a jobb minőségűek, amelyek engedő akadályozással (arretálással) rendelkeznek, ezek nem képesek bizonytalan helyzetben megállni.

6.10.3.1. ábra Forrás: Wikipédia

A tolókapcsolók egyenes vezetékeinél előfordulhat a vezeték akadása attól függően, hogy a működtető erő hatásvonala milyen távolságra van a vezeték tengelyétől.

DIP-kapcsolók

A nyomtatott áramköri lapoknál az átkapcsolásokat sokszor úgy oldják meg, hogy erre a célra kifejlesztett, beforrasztható kapcsolókat alkalmaznak. Ezek a kapcsolók nem arra valók, hogy áramköröket üzemszerűen ki- és bekapcsoljanak, inkább kényelmes beállítási lehetőséget adnak valamely áramköri rész működésének kiválasztására (6.10.4.1. ábra).

6.10.4.1. ábra Forrás: Wikipédia

Forgótárcsás kapcsolók

A forgótárcsás kapcsolókat különösen ott alkalmazzák, ahol 3-nál több kapcsolási helyzetet igénylő feladatot kell megoldani (gondoljunk például elektronikus műszereink méréshatár-változtatására vagy a mosógépek programkapcsolójára). Az érintkezők lehetnek egyszerű, csúszó (kefés) vagy késes kivitelűek. A forgókapcsolókat jellemzően finommechanikai engedő akadályozásokkal látják el, hogy a forgó tengely csak meghatározott szöghelyzetet vehessenek fel. Műszerekben alkalmazott változatait a 6.10.5.1. ábra mutatja.

6.10.5.1. ábra Forrás: Wikipédia

Egy forgótárcsás kapcsoló (Yaxley) képét a 6.10.5.2. ábra mutatja.

6.10.5.2. ábra Forrás: Wikipédia

A következő, 6.10.5.3. ábra többféle, készülékekben és háztartási gépekben is alkalmazott forgótárcsás kapcsolót mutat.

6.10.5.3. ábra Forrás: Wikipédia

A forgótárcsás kapcsolók családjába tartoznak a homlokkerekes kódolókapcsolók, mint amilyen például a 6.10.5.4. ábrán bemutatott tárcsás kapcsoló.

6.10.5.4. ábra Forrás: Wikipédia

Relék

A jelfogók vagy relék rendszerint elektromágnessel működtetett villamos érintkezők. Fontos tulajdonságuk, hogy az átbillenés ezeknél is lavinaszerűen következik be, és ebből következően a relé meghúzási és elengedési árama jelentősen különbözik egymástól. A reléknél is fontos követelmény a súrlódási veszteségek kis értéken tartása, amit jól illusztrál a 6.11.1. ábra, ahol a horgony csapágyazása élágyazással történik.

6.11.1. ábra Forrás: BME MOGI

A villamos érintkezőpároknál általában is, de különösen a reléknél gyakran ikerérintkezőket alkalmaznak (6.11.2. ábra). Az ikerérintkezők lényegesen megnövelik a megbízhatóságot (akár 10−20-szorosra is), de csak akkor, ha az ikerérintkezők egymástól függetlenül képesek rugózni.

6.11.2. ábra Forrás: BME MOGI

A reléknél különösen, de más villamos érintkezőknél is fontos követelmény a rugalmasság. Sajnos olyan anyagunk nincs, ami a rugalmassági követelményeknek is, meg a villamos érintkezőkkel szemben támasztott követelményeknek is meg tud felelni. Ezért a konstrukcióknál az az általános szabály, hogy a rugalmas részt és az érintkező pogácsát különböző anyagokból kell készíteni. Ez az elv jól megfigyelhető a reléérintkezőknél és a mikrokapcsolóknál is. Fontos észrevenni azt az általános folyamatot, aminek lényege a mechanikus villamos érintkezők megszüntetése, és a funkció kiváltása elektronikus eszközökkel. Ez a folyamat megállíthatatlan, a jövőben tovább folytatódik. Tipikus elemei a szilárdtest-relék, amiknél nincs mechanikai mozgás, a bekapcsolás és megszakítás félvezetőkkel történik.