Предисловие

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы разработки полупроводниковых и комбинированных аппаратов. Изложение указанных вопросов базируется на при­менении элементов и устройств, составляющих основу современ­ного полупроводникового аппаратостроения. Учебное пособие написано в полном соответствии с действующей учеб­ной программой и предназначено для студен­тов специальности 140601− Электромеханика, специализации «Электромеханика в горном производстве» по дисциплине «Электрические и электронные аппараты».

Основное внимание в учебном пособии уделе­но раскрытию физической сущности рассматриваемых вопросов и изложению их в доступной форме.

Особое внимание уделено физическим процессам, происходящим в аппаратах, их устройству, регулировочным характеристикам и выбору. Рассмотрено также воз­действие механических и климатических факторов на электрические аппараты в ус­ловиях эксплуатации.

В настоящем учебном пособии обобщен накопленный в стране и за рубежом опыт разработки полупроводниковых и комбинированных аппаратов.

1 Электрические контакты

1.1 Общие сведения

Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся проводники называются контактами или контакт-деталями.

Рисунок 1.1 − Соприкосновение поверхностей контактов

Как ни тщательно обработаны поверхности соприкосновения контактов, электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как получить абсолютно гладкую поверхность практически невозможно. Примерная картина соприкосновения контактов показана на рисунке 1.1. Благодаря нажатию P одного контакта на другой, вершины выступов деформируются и образуются площадки действительного касания контактов. Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических контактов по торцам.

Положим, что имеется только одна площадка касания, имеющая форму круга с радиусом а (рисунок 1.2, а). Радиус, а при пластической деформации можно найти с помощью формулы

, (1.1)

где − сила контактного нажатия, Н; − временное сопротивление на смятие материала контактов, . В результате стягивания линий тока к площадке касания их длина увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически проходит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопротивления. Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, называется переходным сопротивлением стягивания контакта Учитывая, что область стягивания линий тока мала по сравнению с размерами контакта, реальные контакты можно заменить полубесконечными телами с удельным сопротивлением для двух полубесконечных тел, контактирующих по одной круглой площадке касания, картина линий тока и электрических потенциалов представлена на рисунке 1.2, б.

Эквипотенциальные поверхности являются полуэллипсоидами вращения, линии тока − гиперболами с общим фокусом, для такой идеализированной картины переходное сопротивление определяется выражением

. (1.2)

С точностью до 5 % эта формула справедлива, если диаметр контакта превосходит в 15 и более раз диаметр площадки касания. В большинстве практических случаев последнее условие соблюдается, так как размеры площадки касания обычно не превосходят долей миллиметра. Из (1.1) и (1.2)

. (1.3)

Таким образом, переходное сопротивление, обусловленное стягиванием линий тока, пропорционально удельному сопротивлению материала контакта, корню квадратному из временного сопротивления на смятие этого материала и обратно пропорционально корню квадратному из силы контактного нажатия . С ростом контактного нажатия переходное сопротивление уменьшается (кривая 1 на рисунке 1.3). Следует отметить, что при уменьшении нажатия (кривая 2) зависимость идет ниже из-за наличия остаточных деформаций контактирующих выступов.

При многократном замыкании и размыкании контактов кривые 1 и 2 не повторяют друг друга, так как в каждом случае касание происходит в различных точках. Вместо кривой 1 и 2 получается ограниченная ими область. При упругой деформации контактирующих выступов показатель степени в (1.3) равен 1/3.

Рисунок 1.2 − Идеализированная картина растекания

тока в точечном контакте

В таблице 1.1 приводятся полученные экспериментально значения коэффициента для одноточечных, только что зачищенных контактов.

Таблица 1.1 − Коэффициент деформации контактов

Материал контактов	Для сильноточных контактов, 10−4Н1/2Ом	Для слаботочных контактов(реле) Н1/2Ом
Медь	3,16	0,014 - 0,0175
Серебро	1,58	0,006
Олово	15,8	-
Латунь	21,2	-
Сталь	24	-
Алюминий	5,05	-

Одноточечный контакт применяется в основном только при малых токах (до 20А). При больших токах (100 А и более) применя-ется многоточечный контакт, в многоточечном контакте ток проходит через несколько контактных переходов, соединенных паралельно.

Поэтому его переходное сопротивление при неизменном нажатии меньше, чем у одноточечного контакта. Однако нажатие в каждой контактной площадке уменьшается. Количество контакт-ных переходов увеличивается с ростом нажатия по весьма сложному закону.

Рисунок 1.3 − Зависимость переходного сопротивления

от контактного нажатия

Переходное сопротивление многоточечного контакта выражается уравнением, полученным экспериментально:

, (1.4)

где ; − постоянная, зависящая от конструкции контакта.

Экспериментальные формулы для определения контактов, применяемых в аппаратах высокого напряжения. Сопротивление зависит и от обработки поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия.

Поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Переходное сопротивление контактов обусловлено не только явлением стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контакты до их замыкания, очень часто молекулы газа вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверхности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением (до 10^-4 Ом ^. м).

Таким образом, результирующее переходное сопротивление контактов может быть представлено как сумма сопротивления сопротивление пленок : .

Влияние пленок в значительной степени зависит от радиуса площадки а. При см влиянием пленок можно пренебречь. При см сопротивление пленок в 10 раз может превышать сопротивление При величины и соизмеримы. Поэтому пленки особенно опасны для контактов на малые токи, когда силы нажатия и размер пятна а малы. Процесс образования пленки начинается сразу после соприкосновения зачищенной поверхности контактов с окружающим их воздухом. Переходное сопротивление при этом может возрасти в десятки тысяч раз. В связи с эти контакты на малые токи (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). Обычно экспериментальные исследования и расчет переходного сопротивления ведутся для свежезачищенных контактов. В сильноточных контактах пленка разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контакта относительно другого. В процессе работы переходное сопротивление контактов не остается постоянным. Под воздействием кислорода, других агрессивных газов, повышенной температуры интенсивность образования пленки растет. При этом переходное сопротивление контакта, падение напряжения на нем и его температура возрастают. При определенных значениях напряжений и температуры происходит электрический пробой пленки, после чего сопротивление контакта падает. Это явление называется фриттингом. Для защиты контактов от воздействия окружающей среды они могут быть размещены в герметичном баллоне е инертным газом. Эти контакты получили название герконов.

При прохождении тока через область стягивания его линий контакт нагревается, следовательно превышение температуры в области стягивания будет найдено приближенно

, (1.5)

где − падение напряжения на переходном сопротивлении, В, равное ; − коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°С); − удельное электрическое сопротивление материала контактов, .

Наибольшую температуру имеет площадка касания. По мере удаления от нее температура контакта быстро падает протяженность области стягивания невелика и составляет 5 ÷ 6 а.

Рассмотрим процесс нагрева точечного торцевого контакта (рисунок 1.4). Обозначим через мощность тепловых потерь в различных точках контакта. Ток , проходя по телу контакта, нагревает его. Тепло входит в торец контакта. Одновременно через боковую поверхность тепло отдается в окружающее пространство. При установившемся режиме тепло, которое входит в элемент толщиной , равно теплу, которое из него выходит:

, (1.6)

где − тепло, которое подошло

к элементу справа; − тепло, которое выделяется

в этом элементе; − сечение контакта; − тепло, отдаваемое с боковой поверхности; − периметр сечения контакта; − тепло, которое выходит из элемента в направлении оси х.

Рисунок 1.4 − К расчету температуры контактов

Введем и подставим в (1.6) мощности , , , выраженные через ток и определяющие их параметры. После преобразования получим:

Решая это уравнение с учетом начальных условий, получаем:

Тогда температура контактной точки

(1.7)

где − превышение температуры тела контакта

относительно окружающей среды; − превышение температуры контакта в начале области стягивания;

С ростом температуры сопротивление стягивания изменяется из-за роста удельного сопротивления материала

, (1.8)

где R (0) − сопротивление стягивания при температуре, равной температуре на границе области стягивания ; − температурный коэффициент сопротивления материала контактов, 1/^оC.

При увеличении тока через контакт увеличивается падение напряжения . Согласно (1.5) возрастает превышение температуры контактной площадки. Это в свою очередь вызывает увеличение сопротивления согласно (1.8). Зависимость сопротивления от напряжения , называемая R (U) − характеристикой контакта, показана на рисунке 1.5.

При выводе (1.8) изменение прочности материала не учитывалось, поэтому оно справедливо при температурах, не превосходящих температуру размягчения материала. При температуре размягчения площадка касания увеличивается, а переходное сопротивление резко уменьшается при неизменном нажатии. Это состояние имеет место при U_конт = U_P, где U_P − напряжение рекристаллизации или размягчения материала. Если температура продолжает расти, то площадка касания может расплавиться, чему соответствует напряжение плавления U_конт = U_пл. Температура контакта не должна достигать температуры размягчения материала.

Рисунок 1.5 − характеристика контакта R (U)