 |
سوئیچ تماس
معرفی
سوئیچ تماسی برای تنظیم عبور یا عدم عبور جریان الکتریکی از منبع تغذیه به دستگاه الکتریکی استفاده می شود. این سوئیچ ها در بسیاری از انواع تجهیزات یافت می شوند و از آنها برای کنترل، به عنوان مثال، خروجی برق از پریز دیواری به دستگاه در هنگام اتصال به برق استفاده می شود. جریان عبوری از صفحه مدار کامپیوتر؛ یا برقی که یک لامپ را هنگام روشن کردن سوئیچ روشن می کند. به دلیل شیوع، شبیه سازی سوئیچ های تماسی یک گام اساسی در طراحی برنامه های الکترونیکی است.
اصل کار در پشت سوئیچ تماسی ساده است: دو قطعه فلزی رسانا با اختلاف ولتاژ الکتریکی در سراسر آنها در تماس قرار می گیرند و اجازه می دهند جریانی بین آنها جریان یابد. سطوح فلزی دو جزء که با یکدیگر تماس دارند، کنتاکت نامیده می شوند و هنگامی که اتصال بین دو کنتاکت قطع شود، جریان از جریان می افتد.
جریان جریان بین دو کنتاکت به دلیل اثر گرمایش ژول به افزایش دما در سوئیچ کمک می کند.
شکل 1: یک سوئیچ تماسی.
گرمایش سوئیچ تماسی می تواند خواص مواد فلز و همچنین سطح تماس را تغییر دهد و بنابراین یک اثر مهم است که هنگام مدل سازی کلید باید در نظر گرفته شود. بالا رفتن بیش از حد دما حتی می تواند باعث سوختن سوئیچ شود، به این معنی که کلید دیگر کار نمی کند. بنابراین، تجزیه و تحلیل قابلیت حمل جریان آن برای جلوگیری از گرمای بیش از حد مهم است. همچنین در نظر گرفتن این نکته مهم است که وقتی دو قطعه فلزی با هم تماس پیدا می کنند، سطوحی که با یکدیگر تماس دارند، فشار مکانیکی یا فشار تماس را تجربه می کنند. این فشار مکانیکی روی کنتاکت ها می تواند خواص الکتریکی و حرارتی مواد را به صورت محلی در اطراف ناحیه اطراف کنتاکت ها تغییر دهد. از این رو، به منظور شبیه سازی دقیق قابلیت حمل جریان و افزایش دما در کلید، مهم است که رویکرد جامع تری در شبیه سازی داشته باشیم و اثر فشار تماس را برای محاسبه رسانایی الکتریکی و حرارتی سطوح تماس در نظر بگیریم. این آموزش نحوه اجرای یک تماس چندفیزیکی را نشان می دهد. رفتار حرارتی و الکتریکی دو قسمت تماس سوئیچ را مدل می کند. جریان الکتریکی و گرما از یک قسمت به قسمت دیگر فقط از ناحیه تماس عبور می کند. رفتار حرارتی و الکتریکی دو قسمت تماس سوئیچ را مدل می کند. جریان الکتریکی و گرما از یک قسمت به قسمت دیگر فقط از ناحیه تماس عبور می کند. رفتار حرارتی و الکتریکی دو قسمت تماس سوئیچ را مدل می کند. جریان الکتریکی و گرما از یک قسمت به قسمت دیگر فقط از ناحیه تماس عبور می کند.
دستگاه سوئیچ کنتاکت دارای بدنه استوانه ای و شکل های قلاب صفحه ای در ناحیه تماس است ( شکل 1 را ببینید ). در آنجا، مقاومت‌های ظاهری حرارتی و الکتریکی به فشار تماس مکانیکی در رابط متصل می‌شوند، که برنامه آن را حل می‌کند.
دمای اولیه برابر با دمای بیرونی اتاق است. اختلاف پتانسیل بین قسمت چپ و راست منجر به گرم شدن از طریق اثر ژول می شود.
تعریف مدل
هندسه کلید در شکل 2 نشان داده شده است . تنها نیمی از دستگاه به دلیل ملاحظات تقارن نشان داده شده است.
شکل 2: هندسه سوئیچ.
سوئیچ از مس ساخته شده است، با دو عنصر استوانه ای ثابت و یک منطقه مرکزی که در آن کنتاکت ها قرار دارند. در انتهای هر کنتاکت قلاب های صفحه ای وجود دارد که امکان تماس بین دو قطعه را فراهم می کند. در شبیه سازی، پتانسیل الکتریکی 1 میلی ولت به سمت چپ سوئیچ اعمال می شود، در حالی که سمت راست به زمین متصل می شود.
رسانایی تماس حرارتی و الکتریکی تنها به فشار تماس مربوط می شود.
سطوح در معرض سوئیچ به دلیل تعامل با هوا از طریق همرفت طبیعی گرما را از دست می دهند. در شبیه‌سازی، این با تعیین ضریب انتقال حرارت و دمای محیط هوای اطراف مدل‌سازی می‌شود (شبیه‌سازی بلندپروازانه‌تر ممکن است شامل جریان سیال هوا نیز باشد). این برنامه ابتدا تماس ساختاری را حل می کند تا فشار تماس روی سطوح تماس را به دست آورد. سپس از این نتایج برای محاسبه رسانایی الکتریکی و حرارتی سطوح تماس در یک شبیه‌سازی گرمایش ژول استفاده می‌شود.
نتایج و بحث
شکل 3 توزیع پتانسیل الکتریکی را نشان می دهد که از سمت راست زمین تا 1 میلی ولت اعمال شده در سمت چپ متغیر است.
شکل 3: پروفیل پتانسیل الکتریکی.
اختلاف پتانسیل بین دو جزء در سوئیچ یک جریان جریان ایجاد می کند که به نوبه خود منجر به گرمایش ژول می شود. این باعث افزایش دما در سوئیچ می شود. اگر کلید را برای مدتی روشن بگذارید، توزیع دما در کلید به حالت تعادل می رسد. شکل 4 توزیع دما را در کلید کنتاکت نشان می دهد. در این مثال، گرمایش ژول باعث می‌شود که دمای سوئیچ حدود 5 کلوین بالاتر از دمای اتاق باشد، اگرچه تنها یک تغییر دما در خود سوئیچ مشاهده می‌شود.
شکل 4: توزیع دما.
توزیع دمای داخلی تقریباً ثابت است. معرفی اثر هدایت الکتریکی و حرارتی به ما امکان می دهد افزایش دما را با دقت بیشتری پیش بینی کنیم. شبیه سازی همچنین نشان می دهد که سوئیچ در ناحیه تماس کمی داغتر می شود.
در نهایت، شکل 5 توزیع دما را در ناحیه تماس نشان می دهد. خطوط جریان چگالی جریان را نشان می دهد.
شکل 5: توزیع دما (نقشه سطحی) و چگالی جریان (خط های جریان) در ناحیه تماس.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_انتقال_گرما/تماس_تماس_و_اصطکاک/سوئیچ_تماس
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Structural Mechanics>Solid Mechanics (جامد) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در درخت انتخاب فیزیک ، انتقال حرارت > گرمایش الکترومغناطیسی > گرمایش ژول را انتخاب کنید . |
5 | روی افزودن کلیک کنید . |
6 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
7 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
8 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
واردات 1 (imp1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید . |
3 |  روی Browse کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل contact_switch.mphbin دوبار کلیک کنید . |
5 |  روی Import کلیک کنید . |
فرم اتحادیه (فین)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Geometry 1 روی Form Union (fin) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Form Union/Assembly ، بخش Form Union/Assembly را پیدا کنید . |
3 | از لیست Action ، Form an assembly را انتخاب کنید . |
4 | از لیست نوع جفت ، جفت تماس را انتخاب کنید . |
5 | تیک Create Pairs را پاک کنید . |
6 | در نوار ابزار Home ، روی  Build All کلیک کنید . |
تعاریف
جفت تماس 1 (p1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  جفت ها کلیک کنید و جفت تماس را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 12 و 15 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای جفت ، قسمت Destination Boundaries را پیدا کنید . |
4 | برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن انتخاب کلیک کنید . |
5 | فقط مرزهای 25 و 28 را انتخاب کنید. |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Copper را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مکانیک جامدات (جامدات)
محدودیت ثابت 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Solid Mechanics (solid) کلیک راست کرده و Fixed Constraint را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 4، 5، 34 و 35 را انتخاب کنید. |
تقارن 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Symmetry را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 2 و 22 را انتخاب کنید. |
تماس با 1a
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Pairs کلیک کنید و Contact را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مخاطب ، بخش انتخاب جفت را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Pairs ، روی  افزودن کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای افزودن ، جفت تماس 1 (p1) را در لیست جفت ها انتخاب کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات تماس ، بخش روش تماس را پیدا کنید . |
7 | از لیست، Augmented Lagrangian را انتخاب کنید . |
8 | قسمت مقدار اولیه را پیدا کنید . در قسمت متن T n ، 1e7 را تایپ کنید . |
انتقال حرارت در جامدات (HT)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات (ht) کلیک کنید .
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 3 و 6–33 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات Heat Flux ، بخش Heat Flux را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 2 را تایپ کنید . |
تقارن 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Symmetry را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 2 و 22 را انتخاب کنید. |
تماس حرارتی 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  جفت ها کلیک کنید و تماس حرارتی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تماس حرارتی ، قسمت انتخاب جفت را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Pairs ، روی  افزودن کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای افزودن ، جفت تماس 1 (p1) را در لیست جفت ها انتخاب کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای تماس حرارتی ، بخش ویژگی های سطح تماس را پیدا کنید . |
7 | از لیست p ، فشار تماس (solid/cnt1) را انتخاب کنید . |
جریان های الکتریکی (EC)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electric Currents (ec) کلیک کنید .
زمین 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 34 را انتخاب کنید. |
پتانسیل الکتریکی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 5 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، قسمت Electric Potential را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی V 0 ، 1[mV] را تایپ کنید . |
جفت کنتاکت برق 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Pairs کلیک کنید و Pair Electrical Contact را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به تماس الکتریکی جفت ، قسمت انتخاب جفت را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Pairs ، روی  افزودن کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای افزودن ، جفت تماس 1 (p1) را در لیست جفت ها انتخاب کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات مربوط به تماس برقی جفت ، بخش ویژگی های سطح تماس را پیدا کنید . |
7 | از لیست p ، فشار تماس (solid/cnt1) را انتخاب کنید . |
مش 1
چهار وجهی رایگان 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Free Tetrahedral کلیک کنید .
Free Tetrahedral کلیک کنید .سایز 1
1 | روی Free Tetrahedral 1 کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرزهای 12، 15، 25 و 28 را انتخاب کنید. |
5 | بخش اندازه عنصر را پیدا کنید . روی دکمه Custom کلیک کنید . |
6 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . |
7 | کادر انتخاب حداکثر اندازه عنصر را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 5e-4 را تایپ کنید . |
اندازه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Mesh 1 روی Size کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید . |
3 | از لیست Predefined ، Fine را انتخاب کنید . |
4 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مدل را در دو مرحله حل کنید. مرحله اول فقط برای مکانیک جامدات محاسبه می شود در حالی که مرحله دوم برای گرمایش ژول ( جریان های الکتریکی و انتقال حرارت در جامدات ) حل می شود.
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | در جدول، کادرهای حل برای جریان های الکتریکی (ec) و انتقال حرارت در جامدات (ht) را پاک کنید . |
ثابت 2
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | در جدول، کادر حل برای Solid Mechanics (جامد) را پاک کنید . |
4 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
استرس (جامد)
در اولین نمودار پیش فرض، سوئیچ به دلیل فشار تماس کمی تغییر شکل داده است. تنش فون میزس در پایه سوئیچ و در ناحیه تماس قرار دارد.
مراحل بعدی را برای تجسم نمودارهای پیش فرض سوم و پنجم مانند شکل 3 و شکل 4 دنبال کنید .
آینه سه بعدی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Datasets کلیک راست کرده و More 3D Datasets>Mirror 3D را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای Mirror 3D ، بخش Plane Data را پیدا کنید . |
4 | از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید . |
پتانسیل الکتریکی (EC)
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Electric Potential (ec) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Mirror 3D 1 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Electric Potential (ec) ، روی  Plot کلیک کنید . |
دما (ht)
1 | در پنجره Model Builder ، روی دما (ht) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Mirror 3D 1 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
برای مشاهده دما و چگالی جریان فقط در ناحیه تماس ( شکل 5 )، به صورت زیر عمل کنید.
سطح 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  More Datasets کلیک کنید و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Parameterization را پیدا کنید . |
3 | از لیست محورهای x و y ، xy-plane را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرزهای 10 و 21 را انتخاب کنید. |
دما (منطقه تماس)
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  2D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دو بعدی ، دما (منطقه تماس) را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در نوار ابزار دما (منطقه تماس) ، روی  سطح کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Solids>Temperature>T – Temperature – K را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
دما (منطقه تماس)
در پنجره Model Builder ، روی دما (Contact Region) کلیک کنید .
ساده 1
1 | در نوار ابزار دما (منطقه تماس) ، روی  Streamline کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Streamline ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electric Currents>Currents and charge>ec.Jx,ec.Jy – Current density (Spatial Frame) را انتخاب کنید . |
3 | بخش Streamline Positioning را پیدا کنید . از لیست موقعیت یابی ، چگالی یکنواخت را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متنی Separating distance ، 0.02 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Point style را پیدا کنید . از لیست نوع ، پیکان را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار دما (منطقه تماس) روی  Plot کلیک کنید . |
