книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

этих металлов являются вольфрам и молибден. Они об­ ладают высокими температурами плавления и малой упругостью паров, поэтому хорошо сопротивляются сва­ риванию и электроэрозии. Тугоплавкие металлы харак­ теризуются также высокими механическими качествами и обычно применяются в тех случаях, когда действуют высокие частоты коммутации, большие амплитудные значения тока (при индуктивной нагрузке) и большие

нием температуры. Однако этот недостаток можно устра­ нить применением больших контактных нормальных или касательных усилий.

Недостатки тугоплавких металлов можно свести к минимуму с сохранением их достоинств путем комби­ нирования их с хорошо проводящими металлами, на­ пример с серебром и медью.

Металлы с высокой проводимостью. Из всех металлов серебро обладает наибольшей электро- и теплопровод­ ностью. Хотя серебро образует окись и сульфид, они являются проводящими соединениями и при сравнитель­ но низких температурах разлагаются. Серебро является мягким металлом. Это обеспечивает получение при не­ больших контактных давлениях малого переходного со­

Серебро часто применяется в сочетании с другими металлами и соединениями (Си, Ni, Cd, CdO, Fe, Pd и др.) для уменьшения переноса металла, прилипания, сваривания и атмосферной коррозии. Другие металлы, обладающие высокой проводимостью, например медь, алюминий и их сплавы, весьма склонны к образованию окисных пленок. Поэтому они могут быть использованы

50

лишь в цепях с относительно высокими напряжениями, где проводимость осуществляется за счет фриттинга окисной пленки (см. § 1.2). В слаботочных цепях кон­ такты из таких металлов необходимо покрывать слоем некорродирующего металла (золота, платины, палладия, родия и т. д.).

Некорродирующие металлы. Платина, палладий и зо­ лото не тускнеют даже в атмосфере высокой концен­ трации агрессивных химических загрязнений. Контакты из этих металлов применяются в тех случаях, когда до­ пускаются весьма малые контактные давления или тре­ буется особо высокая надежность. Ввиду своей мягко­ сти эти металлы редко применяются в чистом виде. Чаще используются их сплавы с иридием и рутением. Следует отметить, что платина и палладий обладают каталитическим действием и способны к активному обра­ зованию полимерных пленок.

Поскольку в неподвижных контактах не происходит самоочистки поверхности, контактные элементы должны быть изготовлены из достаточно мягкого некорродирую­ щего металла либо покрыты таким металлом. Толщи­ на покрытия определяется требованиями к числу со­ членений.

Для скользящих контактов следует применять до­ статочно твердые материалы, чтобы уменьшить износ, заедание и искрение. Если напряжения в цепи не слиш­ ком малы, возможно применение металлов, характери­ зующихся небольшой толщиной пассивирующей окис­ ной пленки, достаточно прозрачной с точки зрения ква­ зиметаллических механизмов проводимости. Твердый окисел хорошо сопротивляется механической эрозии и защищает от нее базовый металл.

При невысоких скоростях движения контактных эле­ ментов скользящего контакта или когда такое движение осуществляется сравнительно редко, проблема механиче­ ского износа не является критичной, в таком случае может быть использован мягкий материал, содержащий кристаллиты твердой примеси. Последняя при движении контактных элементов относительно друг друга цара­ пает их поверхности, разрывая пленки, образовавшиеся на них и разрушая окисные слои. Примером такого решения, как упоминалось ранее, служит применение серебра с примесью меди и кремния, в котором кри­ сталлизуются твердые кристаллиты Cu3 Si [9].

ным движением одной поверхности контакта относи­ тельно другой, приводящим к разрушению пленок (при­ тирание поверхностей).

Высокий класс обработки поверхностей в сочетании с наличием на них твердых окисных пленок потускнения оказывает благотворное влияние на работу скользящих контактов с точки зрения уменьшения механического и электрического износа при больших.напряжениях. Про­ водимость контакта при этом осуществляется за счет фриттиига (см. § 1.2).

Иногда для преодоления проблемы ограниченности фактической площади касания контактных элементов, порождаемой неизбежной шероховатостью их поверхно­ стей, прибегают к сложным конструкциям контактных устройств, предусматривающим смачивание ртутью по­ верхности контакта. Ртуть, заполняя впадины рельефа, делает фактическую контактную поверхность даже значительно больше кажущейся, что сильно снижает переходное сопротивление контакта (рис. 2.2), несмотря на сравнительно низкую электропроводность ртути.

Примером конструкций такого типа может служить ртутно-смачпваемое реле [28], в котором ртуть посту-

благодаря капиллярному явлению. Переходное сопро­ тивление такого контакта остается постоянным (что особенно примечательно) и не превышает тысячных до­ лей ома за весь срок службы.

Форма контактных элементов. В процессе работы разъемных, разрывных и скользящих контактов образу­ ются различного рода пленки в результате нагрева, ду-

54

МёХанмЧёскбгб усилия на малой площади и разрыву окисных и других пленок. Точечный контакт образуется между сферической и плоской поверхностью, между двумя сферами или между двумя перекрещивающимися цилиндрами. Линейный контакт образуется между ци­ линдром и плоскостью или между двумя цилиндрами.

Если характер и величина тока через разрывной контакт при его размыкании и замыкании таковы, что перенос материалов имеет направленный характер, не­ обходимо, чтобы формы положительного и отрицатель­ ного контактных элементов были различными, например сфера или параболоид (изнашивающийся элемент) и плоскость. Для уменьшения влияния эрозии контактных элементов на работу разрывного контакта в течение относительно длительного времени, целесообразно при­ дать поверхностям контактных элементов плоскую фор­ му или сферическую форму с малой крутизной.

Окисление поверхностей контактных элементов раз­ рывного контакта в результате дугообразования приво­ дит к монотонному увеличению его переходного сопро­ тивления с ростом числа коммутаций. Для обеспечения

/

Рис. 2.3. Разделение поверхности в коммутируемых контактах:

/ — рабочее положение; 2 — положение при размыкании и замыкании.

относительного постоянства переходного сопротивления во времени может быть использован принцип разделе­ ния участков поверхностей контактных элементов таким образом, чтобы в момент замыкания и размыкания они

другим последствиям электроэрозии подвергается толь­ ко часть поверхности, окружающая точку замыкания и размыкания, а участок, содержащий «рабочую» точку, остается относительно чистым. Примеры осуществления такого решения изображены на рис. 2.3.

55

Необходимое для нормальной работы контакта кон­ тактное нажатие является функцией механических свойств контактируемых металлов, состояния их поверх­ ности, а также их склонности к образованию поверхно­ стных пленок. Величина контактного нажатия находится во взаимной связи с этими свойствами и зависит от кон­ кретных условий. Например, если контактируемые ме­ таллы обладают малой твердостью и не покрываются пленками потускнения (благородные металлы) или же обладают проводящими пленками потускнения (сереб­ ро), то при достаточно хорошей обработке поверхности требуются весьма небольшие контактные усилия.

К контактным материалам с повышенной твердостью относятся, например, вольфрам, молибден и т. п. К ним, наоборот, необходимо прикладывать достаточно боль­ шие усилия, обеспечивающие деформацию микровысту­ пов и увеличение фактической площади контактирова­ ния. Ввиду комплексности явлений, протекающих в кон­ такте (см. рис. 2.1), оказывается затруднительным полу­ чить универсальные выражения для расчета необходи­ мого контактного усилия. На практике стремятся уста­ новить такое компромиссное усилие, которое обеспечи­ вало бы по возможности меньшее переходное сопротив­ ление контакта, не вызвав при этом значительного меха­ нического износа поверхностей контактных элементов.

В разрывных контактах большое контактное усилие необходимо не только для уменьшения переходного со­ противления, но и для обеспечения большого относи­ тельного ускорения движения контактных элементов при замыкании и тем самым уменьшения продолжительности горения дуги. Такое же требование предъявляется к уси­ лию размыкания контакта.

Практические рекомендации по определению кон­ тактного усилия приведены в работах '[3—5]. Конструк­ тивно необходимое контактное усилие может быть реа­ лизовано либо за счет упругих свойств материала од­ ного из контактных элементов, либо с помощью допол­ нительной специальной детали.

При осуществлении контактного давления за счет упругих свойств одного из контактных элементов кон­ тактный элемент, предназначенный для выполнения этой функции, чаще всего изготовляется из сплава, об­ ладающего требуемыми упругими свойствами, например из бронзы, которая в случае необходимости покрывает-

57

Примерами осуществления контактного усилий од­ ним из контактных элементов в скользящих контактах являются токосъемы потенциометров, переменных кон­ денсаторов -и т. п.

Примеры конструкций контактов, в которых контакт­ ное давление реализуется с помощью специальной дета­

а

Рис. 2.7. Осуществление контактного иажатня при помощи специальной детали:

а — в неподвижном контакте; б — в скользящем контакте. •

разъема (а) стальная ленточная пружина -1 зажимает контактные губки из мягкого металла 2, а в токосъеме реостата (6") графитовый электрод / зажимается пру­ жиной к иихромрвой проволоке 2.

можно большего числа коммутационных операций. Для этого в конструкции контактного устройства должны быть предусмотрены необходимые меры, предотвращаю­

Защита контактных поверхностей от окисления, кор­ розии и механического износа. Основное средство защи­ ты контактов как неподвижных, так и разрывных —это

59