УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ДИОДОВ Российский патент 2003 года по МПК H05K7/02 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к технике СВЧ, и может бить использовано для установки полупроводниковых диодов в коммутаторах, переключателях, аттенюаторах, ограничителях и других устройствах. При разработке перечисленных устройств на высокий уровень мощности вопросы надежного контакта диодов, отвода от них тепла, создания конструкций крепления диодов, исключающих продольные и поперечные давления на диоды при их монтаже и эксплуатации, приобретают особо важное значение.

По результатам патентного поиска, поиска по отечественной и зарубежной литературе, аналогом по функциональному назначению является устройство, описанное в [1] , содержащее корпус с отверстием, внутри которого установлена цанга с муфтой, поджатой накидной гайкой.

В этом устройстве несоосность диода скомпенсирована тем, что цанга установлена в корпусе с радиальным зазором и снабжена фланцем, на поверхности которого, обращенной к основанию корпуса, выполнен кольцеобразный выступ треугольной формы, при этом фланец прижат втулкой, соединенной с помощью резьбы с корпусом.

Недостатком данного устройства является нарушение электрического и теплового контакта, возникающее из-за несоосности цанг и цанговых гнезд, возникновение изгибающих моментов, действующих на диод, что приводит к разрушению диода.

Известно также другое устройство для крепления диода [2].

Устройство содержит корпус с контактным элементом, подпружинящий стержень и механизм его поджима, подпружненную втулку и две цанги, одна из которых размещена на корпусе, а другая - на подпружиненном стержне.

Этому устройству присущи недостатки, а именно
- наличие действующих на диод продольных сил сжатия - растяжения при монтаже и разборке конструкции, приводящее к разрушению диода;
- наличие изгибающего момента, возникающего из-за несовпадения осей первой цанги и стержня, воздействующего на диод, который возникает из-за непараллельности плоскости контакта первой цанги и поверхности корпуса.

Все эти факторы снижают надежность устройств крепления диодов и, как следствие, устройств СВЧ с их использованием.

Из известных коммутирующих устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для крепления диодов, описанное в [3].

Устройство состоит из корпуса с контактным элементом, подпружиненного стержня, поджатого контактным колпачком в виде винта, цанги, одна из которых размещена в корпусе, а другая на подпружиненном стержне, муфты, выполненной в виде диэлектрической втулки, установленной между цангами. Наружная поверхность муфты разъемно соединена с накидной гайкой, а другая цанга размещена в проточке другой накидной гайки, также разъемно соединенной с диэлектрической муфтой.

Однако и этому устройству присущи следующие недостатки:
- наличие действующих на диод продольных сил, разрушающих диод, т.к. для обеспечения контакта величина прижимающего усилия должна быть достаточно велика и приведена в ТУ на диоды;
- достаточно большое контактное сопротивление устройства, обусловленное тем, что на каждый электрод диода имеется по две детали, причем гайка имеет скользящий контакт с разрезным цилиндром контактного элемента, а другая гайка имеет прижимной контакт с корпусом. Эти контакты имеют локальное значение и зависят от давления пружины и соосности устройства с корпусом. Большое контактное сопротивление снижает тепловые запасы диода, приводит к его дополнительному нагреву, при этом муфта начнет расплавляться, и конструкция теряет свою работоспособность. Применение же муфты из более теплостойкого материала приводит к увеличению конструктивной емкости устройства, увеличению дополнительных потерь полезного сигнала.

Таким образом, всем рассмотренным устройствам свойственны недостатки, связанные c наличием продольного растяжения или сжатия диода, большого контактного сопротивления между диодом и корпусом.

Целью изобретения является повышение надежности устройства за счет устранения осевого давления на диоды и упрощение его конструкции за счет снижения разъемных соединения.

Дополнительной целью изобретения является повышение надежности устройства за счет уменьшения контактного сопротивления.

Первая цель достигается тем, что в устройстве для крепления диодов, содержащем корпус с контактным элементом, диэлектрическая втулка выполнена в виде шайбы с двухсторонней металлизацией и с радиальной диэлектрической замкнутой щелью, с окнами в диэлектрике и пазами в слое металлизации для размещения диодов. Диэлектрическую шайбу охватывает вновь введенное металлическое кольцо, которое создает дополнительную жесткость конструкции и одновременно передает через подпружиненный контактный элемент мягкий контакт от металлизированной шайбы на корпус коаксиальной линии. Выполнение устройства в виде плоской конструкции приводит к сокращению количества деталей и их упрощению. При этом упрощается вся конструкция в целом.

Кроме того, применение двухстороннего фольгированного диэлектрического материала приводит к уменьшению конструктивной емкости устройства при включении диода в щели вдоль плоскости шайбы.

Кроме того, предложенная конструкция устройства обладает уменьшенным контактным сопротивлением, т.к. электрический контакт устройства осуществляется по всему периметру внутреннего и внешнего проводников коаксиальной линии, в отличие от прототипа, где контакт имеет локальное значение в некоторой области внешнего и внутреннего проводников. Для обеспечения контакта по внешнему проводнику коаксиальной линии контактный элемент выполнен в виде плоской пружины, установленной на внешней проточке металлического кольца. Контакт по внутреннему проводнику коаксиальной линии осуществляется по поверхности металлизированной шайбы, через центральное отверстие под проточку во внутреннем проводнике.

К достоинствам предлагаемого устройства относится также и то, что при его установке в коаксиальную линию не требуется нарушения конструкции внешнего проводника коаксиала, что позволяет сократить массогабаритные показатели разрабатываемых устройств.

Указанное изменение формы муфты, выполненной в виде шайбы, металлизированной с двух сторон, введение металлического кольца, охватывающего шайбу, и изменение формы контактного элемента, выполненного в виде плоской контактной пружины, охватывающей металлическое кольцо, и создающего контакт по всему периметру внешнего проводника коаксиальной линии, является существенным отличием и в известных технических решениях не обнаружено, что подтверждает существенность отличия предлагаемого технического решения.

Сущность изобретения будет более понятна из следующего описания и прилагаемых к нему чертежей, на которых изображено:
фиг.1 - конструкция прототипа;
фиг.2 - конструкция заявляемого устройства;
фиг. 3 - вид сбоку установки коммутирующего устройства в коаксиальной линии.

На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - контактный элемент;
3 - пружина;
4 - кольцо;
5 - шайба;
6 - диод;
7 - подпружиненный стержень;
8 - втулка;
9 - цанга;
10 - цанга;
11 - диэлектрическая втулка;
12 - накидная гайка;
13 - гайка.

Устройство для крепления диодов содержит корпус 1 с контактным элементом 2, подпружиненным спиральной пружиной 3, которые охватывают металлическое кольцо 4, неразъемно закрепленное на металлизированной шайбе 5 через проточку по внутреннему диаметру кольца 4. Диоды 6 неразъемно установлены в радиальной диэлектрической щели в окнах и пазах под их размеры.

Устройство для крепления диодов работает следующим образом.

Рассмотрим случай крепления восьми, например, ограничительных диодов. Корпус 1 представляет собой внешний и внутренний проводники коаксиальной линии в виде цилиндрических труб, причем внутренний проводник имеет разъемное резьбовое соединение для включения между разъемными частями проводника металлизированной шайбы 5. Шайба 5 устанавливается во внутренней проточке латунного кольца 4 и неразъемно, способом пайки, соединяется с ним. Диоды 6 устанавливаются в окнах и неразъемно соединяются в пазах с металлизированной поверхностью шайбы 5 с обеих сторон шайбы. В контактный элемент 2, выполненный из бронзы в виде плоской пружины, толщиной 0,15 мм и имеющей поперечные сквозные пазы для улучшения контактных и пружинящих свойств, выполненные фотохимическим методом, вставляется бронзовая спиральная пружина 3, образуя замкнутое контактное кольцо, которое надевается на кольцо 4.

Устройство крепится на проточке внутреннего проводника коаксиальной линии (не показана). Проточка выполнена на разъемной части внутреннего проводника коаксиальной линии с наружной резьбой, имеет ширину, равную толщине шайбы 5, и диаметр, меньший, чем диаметр коаксиальной линии. Ответная разъемная часть коаксиальной линии соответственно имеет отверстие под проточку и внутреннюю резьбу для соединения с первой.

Для улучшения контакта по внутреннему проводнику устанавливаются контактные пружины в виде звездочек (не показаны) по обеим сторонам шайбы 5. Собранное на внутреннем проводнике коаксиальной линии устройство устанавливается во внешний проводник и имеет с ним контакт по всему периметру контактного элемента 2.

Основная цель в изобретении достигается тем, что в предлагаемой конструкции диэлектрическая втулка выполнена в виде шайбы 5, что позволило совместить функции снятия механических нагрузок и передачи электрического контакта от внутреннего проводника линии к внешнему. Для этого шайба 5 имеет двухстороннюю металлизацию, а для разделения электрического контакта между проводниками линии 1 в металлизированных слоях выполнена двухсторонняя кольцевая щель с чередующимися в ней сквозными окнами в диэлектрике и пазами в металлизированных слоях для размещения и крепления диодов 6. Диэлектрик кольцевой щели механически объединяет в неразъемную конструкцию разнополярные контакты диодов, снимая тем самым осевое давление с них. Кроме того, шайбу 5 охватывает латунное кольцо 4, которое неразъемно крепится с ним, придает дополнительную прочность конструкции и передает контакт через пружину 2 к внешнему проводнику линии. Пружина 2 имеет мягкий контакт с проточкой латунного кольца и внутренней поверхностью внешнего проводника, снимая поперечные нагрузки на кольцо 4 при испытаниях.

Упрощение конструкции достигается тем, что, как видно из чертежей, сокращено количество элементов крепления диодов с тринадцати до шести. Элементы предлагаемого устройства имеют несложную конструкцию. Для выполнения деталей прототипа необходимы токарные работы высокой квалификации, в то время как фольгированный стеклотекстолит, выбранный для изготовления шайбы 5, позволяет выполнить окна и пазы за один прием одним штампом и не требуется высокой квалификации исполнителя при этом.

Для монтажа устройства не требуется усложнения внешнего проводника линии дополнительными элементами крепления диодов, внешний проводник имеет упрощенную конструкцию.

Для достижения дополнительной цели по внешнему проводнику коаксиальной линии контактный элемент 2 выполнен в виде плоской пружины, свернутой в прямоугольную форму, и уложен вдоль кольца 4 в его наружной проточке, которая имеет буртики для удержания пружины на кольце при установке устройства во внешний проводник линии.

Для достижения дополнительной цели по внутреннему проводнику линии шайба 5 имеет контакт с внутренним проводником по его периметру, тем самым уменьшается контактное сопротивление, при этом улучшается теплоотдача диодов.

Для улучшения фиксации пружины 2 на металлическом кольце введена спиральная пружина 3, которая имеет несколько большую длину, чем периметр наружной проточки кольца 4. Спиральная пружина 3 вставляется внутрь пружины 2 и вместе с ней устанавливается на кольце 4, обжимая его и уменьшая контактное сопротивление.

Плоская конструкция устройства, основными элементами которого являются металлизированная шайба 5, металлическое кольцо 4 и подпружиненый контактный элемент 2, позволяет сократить количество разъемных соединений, повысить надежность устройства по сравнению с прототипом.

В качестве шайбы может быть применен фольгированный материал, имеющий высокие механические свойства и теплопроводность, небольшое значение диэлектрической проницаемости (ε<10).

Крепление диодов на шайбе осуществляется методом пайки в пазах шайбы, однако можно крепить диоды и с помощью цанг, которые должны неразъемно крепиться в окнах шайбы, но это снижает надежность устройства. В случае пайки диодов, для ее упрощения необходимо, чтобы толщина шайбы была несколько меньше диаметра контактных ножек диодов. В случае, если она больше диаметра ножек, необходимо применение дополнительных контактных лепестков.

Сущность изобретения останется неизменной и в случае использования переключательных диодов. В этом случае в разрыв внутреннего проводника до и после устройства (на входе и выходе) необходимо ввести блокировочные конденсаторы. При этом конструкция коммутирующего устройства останется неизменной.

Проведенные механические испытания показали, что выходов из строя блоков, содержащих устройства для крепления диодов, по причине поломки диодов, вызванных наличием сил продольного сжатия и растяжения, а также изгибающего момента, не наблюдалось.

Устройство крепления диодов типа 2А509 А, Б, 2А507А, Б выполнено из следующих материалов:
корпус 1 - труба ДКРНП 45•6 Д63 ГОСТ 494-76;
контактный элемент 2 - лента ДПРНТ,0,15 БрБ2 ГОСТ 4784-70;
спиральная пружина 3 - проволока БрБ2;
кольцо 4 - латунь Л63, ГОСТ 15527-70;
шайба 5 - стеклотекстолит СФ-2Н-50-Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Аналогичные устройства крепления имеют и другие типы диодов. По данному технического предложению изготовлены опытные образцы устройств для крепления диодов Жг 5.435.I23, Жг 5.435.124 и успешно испытаны в составе действующей радиотехнической аппаратуры. Принято решение о дальнейшем использовании изобретения в разработках предприятия.

Литература
1. Устройство для крепления диода, а.с. 693495, кл. МКИ H 01 P 1/15.

2. Устройство для крепления диода, а.с. 1027845, кл. МКИ Н 05 К 7/02.

3. Устройство для крепления диодов, а.с. SU 246527, Кл. МКИ H 05 K 7/02.

Изобретение может быть использовано в радиосвязи, радиолокации и радионавигации при конструировании устройств с применением диодов. Техническим результатом является повышение надежности за счет устранения осевого давления на диоды и уменьшения поперечного давления, упрощение конструкции за счет уменьшения количества деталей и их упрощения, повышение надежности устройства за счет уменьшения контактного сопротивления и улучшения теплоотвода путем увеличения площади контактной поверхности по диаметру внутреннего и наружного проводников коаксиальной линии, сокращение массогабаритных показателей аппаратуры с их применением. Устройство для крепления диодов содержит корпус с контактным элементом и диэлектрическую втулку, причем диэлектрическая втулка выполнена в виде шайбы с двухсторонней металлизацией, в металлизированных слоях которой радиально выполнена двухсторонняя кольцевая щель с чередующимися в ней сквозными окнами в диэлектрике и пазами в металлизированных слоях для размещения и крепления диодов, при этом шайба охвачена металлическим кольцом с внутренней проточкой к подпружиненным контактным элементам вдоль кольца. Контактный элемент выполнен в виде плоской пружины, установленной в проточке на внешней стороне металлического кольца, а внутри контактного элемента дополнительно введена пружина в виде спирали. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для крепления диодов, содержащее корпус с контактным элементом и диэлектрическую втулку, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности крепления за счет устранения осевого давления на диоды и упрощения конструкции, диэлектрическая втулка выполнена в виде шайбы с двухсторонней металлизацией, в металлизированных слоях которой радиально выполнена двухсторонняя кольцевая щель с чередующимися в ней сквозными окнами в диэлектрике и пазами в металлизированных слоях для размещения и крепления диодов, при этом шайба охвачена металлическим кольцом с внутренней проточкой к подпружиненным контактным элементам вдоль кольца. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности за счет уменьшения контактного сопротивления, контактный элемент выполнен в виде плоской пружины, установленной в проточке на внешней стороне металлического кольца. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью улучшения надежности фиксаций контактного элемента, внутри контактного элемента дополнительно введена пружина в виде спирали.