Ю.Р. Никитин

Методические указания к лабораторной работе № 2

«Измерения токов и напряжений в электрических цепях»

по дисциплине

«Электро-радиоизмерения в мехатронике»

Ижевск 2014

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В электрических и электронных устройствах необходимым условием правильного функционирования является прохождение и непрохождение электрического тока от одного элемента к другому в соответствии со схемой. Прохождение обеспечивается использованием проводников и применением различных электрических соединений. Электрическим называется соединение двух или более деталей или материалов, обеспечивающее необходимую механическую прочность и специальные параметры.

1.1. Параметры и характеристики электрических соединений довольно многочисленны, однако прежде всего следует сказать о переходном омическом сопротивлении контакта. У хороших электрических соединений оно составляет менее 0, 1 Ома. Вторым важным параметром является временная и температурная зависимость этого сопротивления.

1.2. Электрические соединения бывают разъемные и неразъемные. Разъемные соединения выполняются с помощью специальных деталей или сборочных единиц: винты, гайки, наконечники, вилки, розетки и т.п. Переходное сопротивление контакта и его стабильность у разъемных соединений, как правило, несколько хуже, чем у неразъемных. Неразъемные соединения выполняются пайкой, сваркой, склеиванием, накруткой и т.д. Наиболее распространена пайка низкотемпературными припоями.

2 ПАЯННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Пайка представляет собой процесс механического и электрического соединения металических деталей с нагревом ниже температуры их автономного расплавления, путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления при кристаллизации шва. Пайку осуществляют для получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением или механически прочного шва.

В ряде случаев пайка обеспечивает более высокую надежность изделий, чем сварка. При применении рациональных сочетаний паяемых материалов и припоев и использовании конструкций с оптимальной площадью перекрытия надежность паяных соедтнений для самолетов в 4 раза выше, для космических аппаратов в 25 раз выше, чем сварных.

Применение пайки возможно в тех случаях, когда соединяемые материалы смачиваются припоем, материалы и припой способны к взаимной диффузии и частичному растворению друг в друге. При пайке деталей из разнородных материалов для обеспечения прочного соединения подбирают материалы с близкими значениями коэффициента термического расширения или используют высокопластичные припои, которые ослабляют возникающие в местах соединения механические напряжения. Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых материалов и выше температуры последующих технологических операций и температуры эксплуатации устройства.

Припоем называют металл или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми деталями и имеющий более низкую температуру начала плавления, чем паяемые материалы.

Участок паянного соединения с литой структурой, закристаллизовавшейся в процессе пайки, называется паянным швом.

Участок паянного шва, образовавшийся у края зазора на наружных поверхностях соединяемых деталей под действием капиллярных сил, называется галтелью.

Лужением называют нанесение на поверхность материала расплавленного припоя, смачивающего эту поверхность и кристаллизующегося на ней. Лужение - способ подготовки поверхностей соединяемых деталей металлов под пайку и дозированного введения припоя в зону пайки.

Необходимо помнить о взаимодействии припоя и материала детали: во-первых, это диффузия припоя в основной металл с возможным образованием там интерметаллических соединений, во-вторых, это растворение основного металла в припое. Последнее особенно имеет большое значение при пайке тонких проводников, пленок, когда последние могут почти полностью вовлекаться зону паянного шва.

2.1. Конструкции электрических паянных соединений зависят от характера соединяемых материалов и бывают: деталь - деталь, провод - деталь, провод - провод.

При конструировании соединений деталь - провод необходимо предусматривать элементы, предохраняющие провод от излома в месте пайки, а соединений типа провод - провод необходимо избегать.

2.2. Для выполнения электрических паянных соединений существует большое количество припоев, отличающихся температурой плавления и назначением, некоторые приведены в табл.1.

Различают низкотемпературную, или мягкую (температура плавления припоя ниже 450C), и высокотемпературную, или твердую (температура плавления припоя свыше 450C), пайку.

Таблица 1 - Припои

Различная температура плавления припоев позволяет выполнять последовательно паянные соединения различных поверхностей одной детали: сначала выполняется пайка припоем с высокой температурой плавления, а потом с более низкой, такой, чтобы выполненный ранее паянный шов не расплавлялся. Чаще всего электрические соединения, к которым не предъявляются особые требования, выполняются припоем ПОС-61. Таким образом, конструирование паянного электрического соединения сводится к выбору геометрии и припоя.

ПОС-61

Пайка тонких спиральных пружин в измерительных приборах и других ответственных деталей из стали, меди, латуни, бронзы, когда недопустим или нежелателен высокий нагрев в зоне пайки. Пайка тонких (диаметром 0, 05-0, 08 мм) обмоточных проводов, в том числе высокочастотных (литцендрата), выводов обмоток радиоэлементов и микросхем, монтажных проводов в полихлорвиниловой изоляции; а также пайка в тех случаях, когда требуется повышенная механическая прочность и электропроводность.

ПОС-50

То же, что и для ПОС-61, но когда допускается высокая температура нагрева.

ПОС-40 (235C)

Пайка толстых проводов токопроводящих деталей неответственного назначения, наконечников, соединений проводов с лепестками, когда допускается более высокий нагрев, чем для ПОС-61 или ПОС-50.

ПОС-30 (256C)

Лужение и пайка механических деталей неответственного назначения из меди и ее сплавов, стали и железа.

ПОС-18 (277C)

Пайка при пониженных требованиях к прочности шва, лужение перед пайкой. Пайка деталей неответственного назначения из меди и ее сплавов, оцинкованного железа и стали.

ПОСК-50 (145C)

Пайка деталей из меди и ее сплавов, не допускающих местного перегрева. Пайка полупроводниковых приборов.

ПОСВ-33 (130C)

Пайка плавких предохранителей.

ПОСК-47-17 (180 C)

Пайка проводов и выводов злементов к слою серебра, ненесенного на керамику методом вжигания.

Сплав Розе

Пайка и лужение, когда требуется особо низкая температура плавления припоя.

Сплав д'Арсе (79C)

Пайка и лужение, когда требуется особо низкая температура плавления припоя.

Сплав Вуда

Пайка и лужение, когда требуется особо низкая температура плавления припоя.

Для практической реализации выбранного соединения большое значение имеет нормированное формирование паянного шва и растекание припоя. Характеристикой здесь является смачивание поверхности детали припоем, которое бывает хорошим как правило только после специальной подготовки поверхности детали, которую называют флюсованием. Флюс - это вещество для удаления с поверхности различных веществ, мешающих смачиванию (загрязнения жиром, окислами).

Выбор флюса сильно зависит от паяемого материала, некоторые флюсы и их назначение приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Флюсы

При использовании флюсов необходимо применять специальные методы для удаления остатков после пайки, т.к. не удаление может привести к коррозии и временной нестабильности характеристик соединения.

2.3. Для выполнения электрических паянных соединений применяется специальное оборудование для расплавления припоя и нагревания деталей; для нанесения флюса; для удаления остатков флюса; для дозирования припоя; для контроля качества соединения; вспомогательное (для фиксации деталей во время пайки для подготовки поверхностей и т.п.).

В серийном производстве используется очень сложное технологическое высокопроизводительное оборудование: автоматические линии, паяльные станции, установки пайки волной припоя и т.п.

Однако в единичном производстве и ремонте набор оборудования может быть ограничен низковольтным паяльником, пинцетом, кусачками, шлифовальной шкуркой, ножом и кисточками.

3 РАБОЧЕЕ МЕСТО ЭЛЕКТРО-РАДИОМОНТАЖНИКА

Рабочее место организуется на столе с рабочей поверхностью не менее 0, 8м х 0, 6 м. Там размещаются:

- электропаяльник 25 Вт на рабочее напряжение не более 36 В с подставкой;

- бутылочка со спирто-канифольным флюсом ФКСп и кисточка для его нанесения;

- кусачки, ножик, шлифовальная шкурка, пинцет;

- кусок ткани (обычно бязь);

- припой (обычно ПОС61);

- средство защиты от статического электричества (обычно браслет, подключенный через резистор 1 МОм к заземлению).

В случае, если монтажные работы являются основным видом работ на данном рабочем месте, то оно должно быть снабжено вытяжной вентиляцией и местным освещением.

4 ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ

При таком оборудовании электрорадиомонтажная операция разделяется на следующие переходы.

4.1. Подготовка поверхностей сводится к удалению с паяемых поверхностей окисных пленок и жировых соединений с помощью шлифовальной шкурки и спирта (или ацетона).

4.2. Формование деталей (изгиб выводов, проводов и т.п.) осуществляется с помощью пинцета и кусачек или специальных приспособлений.

4.3. Лужение поверхностей осуществляется после нанесения флюса с помощью кисточки на подготовленные ранее поверхности путем привнесения расплавленного припоя на жале паяльника и удержания паяльника с припоем на поверхности в течение 3 секунд. При этом жало паяльника не должно быстро перемещаться по поверхности: припой должен сам растекаться по флюсованной поверхности.

4.4. Пайка осуществляется прикосновением жала паяльника с имеющимся на нем припоем к месту соединения деталей, удерживаемых в нужном положении пинцетом или специальным приспособлением, в течении не более 3 секунд. Во время пайки не допускается перемещение деталей относительно друг друга.

4.5. Контроль качества электрического паянного соединения осуществляется после его остывания визуальным осмотром: паянное соединение должно быть скелетным, т.е. без излишков припоя; с четко сформировавшимися галтелями и шириной паянного шва 0, 2...0, 3 мм. Допускается приложение небольших испытательных воздействий пинцетом.

4.6. Остатки флюса удаляются кисточкой.

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

5.1. Подготовить к работе паяльник.

5.2. Подготовить к пайке провода.

5.3. Подготовить к пайке печатную плату.

5.4. Установить радиоэлементы.

5.5. Выполнить электрические паянные соединения.

5.6. Сдать соединения на контроль качества.

5.7. Собрать макет в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.

5.8. Измерить напряжения в точках 1 и 2 исследуемой схемы относительно точки 3 при подаче на вход постоянного напряжения 5 В.

5.9. Измерить входной ток исследуемой схемы при подаче на вход постоянного напряжения 5В.

5.10. Рассчитать токи и напряжения в полученной у преподавателя схеме.

Рисунок 1 – Схема электрической цепи

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Параметры, характеристики и виды электрических соединений.

2. Пайка.

3. Припой.

4. Лужение.

5. Низкотемпературная или мягкая пайка.

6. Высокотемпературная или твердая пайка.

7. Припой ПОС-61.

8. Флюс.

9. Рабочее место электро-радиомонтажника.

10. Технология пайки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боридько С.И. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. (Гриф УМО МО РФ).– М.: Горячая линия – Телеком, 2007. ISBN 5-93517-338-7.

2. Дивин А.Г. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: учебное пособие [Электронный ресурс]. В 5 ч. / А.Г. Дивин, С.В. Пономарев. - Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. - Ч. 1. - 104 с. ISBN/ISSN: 978-5-8265-0987-6. // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL: https://window.edu.ru/resource/460/76460/files/divin1-a.pdf (дата обращения: 23.09.2013).

3. Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. 3-е изд., стер. – М.: Лань, 2009. – 112 с. ISBN 978-5-8114-0643-2.

4. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И. Кузичев В.И. Теория оптических систем. 4-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2011. – 448 с. ISBN 978-5-8114-0822-1.

5. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 671 с.

6. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Пайка металлов. - М.: Машиностроение, 1977. – 328 с.

7. Мазур А.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов. - М., 1981.

8. Муханин Л.Г. Схемотехника измерительных устройств. 2-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2011. – 272 с. ISBN 978-5-8114-0843-6.

9. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. пособие. – 2-е изд. испр. – М.: Высш. шк., 2010. – 432 с.

10. Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация, сертификация: Учеб. пособие для вузов /Я.М. Радкевич, А.Г. Схиртладзе, Б.И. Лактионов. – М.: Высш. шк., 2010. – 792 с.

11. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учеб. пособие. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Логос, 2010. – 560 с.

12. Справочник по пайке: Справочник/Под ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 1984. – 400 с.

13. Ткалич В.Л., Лабковская Р.Я. Обработка результатов технических измерений: Учебное пособие [Электронный ресурс]. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. - 72 с. // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL: https://window.edu.ru/resource/243/73243/files/itmo527.pdf (дата обращения: 23.09.2013).