книги из ГПНТБ / Зайцев Ю.В. Переменные резисторы

ния поверхностей, приведены в табл. 2-3. В данной таб­ лице приведены также выражения, описывающие зависи­ мость износа от давления на контакте, от упругих свойств контактирующих поверхностей, коэффициента трения и характеристик контактирующих поверхностей. Качественные зависимости интенсивности износа от раз­ личных факторов, таких, как модуль упругости, нагруз-

Рис. 2-20. Зависимость интенсивности износа от различных факторов: коэффициента трения / тр, модуля Юнга Е, нагрузки Рн, отношения ймакс/г (й), величины разрывной деформации ер и твердости по Бринеллю НВ (б).

ка, коэффициент трения, степень шероховатости и т. д., приведены на рис. 2-20. Существенным недостатком при­ веденных расчетных соотношений является то, что для расчета износа необходимо располагать значениями б и м, которые изменяются в процессе износа. Поэтому для более точного расчета износоустойчивости ПЭ необходимо снимать профилограммы после определенного числа циклов перемещений скользящего контакта по ПЭ.

Отметим, что все физико-механические характери­ стики материалов в расчетных формулах относятся к из­ нашиваемой поверхности, а геометрические характери­ стики (б, о, /гМакс и т. п.) — к изнашивающей поверхности. Анализ приведенных расчетных соотношений показыва­ ет, что величина износа в значительной мере определяет­ ся коэффициентом трения крнтактирующих поверхно­ стей, который рассчитывается по формулам из [Л. 60]. Наибольшее влияние на коэффициент трения оказывает степень шероховатости поверхности ПЭ и скользящего контакта (причем поверхность скользящего контакта имеет сравнительно высокий класс чистоты 8—9).

130

Отметим, что даже при значительном отличии проч­ ности поверхностных слоев контактирующих материалов происходит износ обоих поверхностей и фактический из­ нос контактной пары будет равен сумме этих износов. У переменных резисторов часто прочность ПЭ и сколь­ зящего контакта близки по величине (например, для композиционных резисторов). В этом случае износ рас­ считывают для обеих поверхностей, так как он соизме­ рим. Кроме того, отметим, что на каждой поверхности трущейся пары имеет место несколько видов износа и от того, какой вид преобладает, зависит степень разруше­ ния контактирующихся поверхностей. Так, например, ес­ ли на части фактической площади касания а5ф имеет место абразивный износ, а на остальной части (1—a)S<j, износ носит усталостный характер, то величина общего износа /о

В случае, когда а^>1/«, практически весь разрушае­ мый материал будет отделяться в результате абразив­ ного износа.

При a m \ j n (0, 1 < п < 1 0 ) разрушение от двух про­ цессов сравнимо.

Практически весь разрушаемый материал будет отде­ ляться в результате усталостного износа в случае, когда а< 1/« .

Испытание резисторов на износоустойчивость прово­ дится на специальных стендах, позволяющих переме­ щать скользящий контакт резистора в пределах полного угла поворота с заданной скоростью при подаче на ПЭ электрической нагрузки. На стенде для испытания изно­ соустойчивости резисторов устанавливается обычно не­ сколько пар переменных резисторов с одинаковым номи­ нальным сопротивлением. Напряжение подводится к каждой паре резисторов. Электрическая нагрузка ре­ зисторов должна соответствовать их номинальной мощ­ ности рассеяния.

Для изучения износа ПЭ и скользящих контактов переменных резисторов были проведены исследования ряда образцов. Исследо­ валось влияние на износ величины давления контакта на ЦЭ; излуча-

133

лись зависимости интенсивности износа от числа циклов перемеще­ ний контакта по ПЭ. Испытания на износоустойчивость проводились под электрической нагрузкой и без нее. Испытанию -на износоустой­ чивость подвергались резисторы СПЗ-9-1 с сопротивлением 470 Ом; 4,7 кОм и 4,7 МОм, а также образцы прямоугольной формы, на ко-

торые был нанесен проводящий слой, аналогичный проводящему слою резистора СПЗ-9-1 и Рн = 470 Ом и 4,7 кОм. Полученные ре­ зультаты представлены на рис. 2-21 и рис. 2-22.

%

Рис. 2-22. Зависимость Ku = f(N) для прямоугольных ПЭ (без электрической нагрузки— сплошные кривые; с номинальной на­ грузкой — пунктир).

Из анализа полученных результатов видно, что при большом числе циклов перемещения контакта по проводящему слою большей величине давления контакта на слой соответствует большая вели­ чина коэффициента износа Ки. Это говорит о том, что при большом числе циклов давление является одним из определяющих факторов, от которых зависит износ. Так, на графике зависимости Ки от числа циклов перемещения скользящего контакта для резистора СПЗ-9-1

134

(470 Ом) видно, что при N = 100 тыс. при. увеличении давления кон­ такта на ПЭ от 3,5Н до 5,6Н Кк возрастает от 9 до 15% (рис. 2-21).

Как видно из рис. 2-21. К„ для резистора СПЗ-9-1 с RH 4,7 МОм имеет отрицательное значение, в то время как Ки того же резисто­ ра с Rн 470 Ом и 4,7 кОм положительны. Это обусловлено тем, что при контактировании высокоомного ПЭ со скользящим контактом происходит натирание материала контакта на ПЭ, а так как натер­ тый слой материала имеет более высокую проводимость, чем про­ водящий слой, то образовавшаяся дорожка шунтирует сопротивле­ ние слоя.

Величина Ки в случае действия электрической нагрузки естест­ венно больше, чем при ее отсутствии. Это объясняется электроэрози­ ей ПЭ, так как при перемещении скользящего контакта по ПЭ по­ стоянно меняется площадь контактирования, которая зависит от мик­ рогеометрии контактирующих поверхностей; в некоторых точках где эта площадь невелика, плотность тока может достигать значитель­ ных величин, происходит микроразогрев и выгорание ПЭ в отдель­ ных точках, что ведет к уменьшению проводимости в области кон­ тактной дорожки. Исследования показали, что при снижении давле­ ния контакта до 2—ЗН можно получить небольшие значения Ки да­ же при числе циклов перемещения контакта, равном 60—80 тыс. В то же время снижение давления контакта на ПЭ до указанных значе­ ний не влечет за собой увеличения RK больше допустимых пределов.

Большой интерес представляет исследование профилограмм по­ верхности ПЭ переменного резистора после заданного числа циклов перемещения скользящего контакта. Такое исследование позволяет выявить изменение микрорельефа поверхности ПЭ в результате воз­ действия заданного числа циклов перемещений скользящего контак­ та, оценить виды износа, имеющие место в контактной паре пере­ менного резистора. Был проведен большой цикл исследований профиллограмм поверхностей ПЭ после 104—105 циклов перемещений скользящего контакта. Так, на рис. 2-23 приведены профиллограммы поверхности ПЭ резисторов СПЗ-9-1 (с 7?н = 470 Ом и 4,7 кОм) после 105 циклов перемещений скользящего контакта.

Профилограммы поверхностей ПЭ и скользящих контактов ре­ гистров снимались в двух направлениях — продольном и попереч­ ном, поскольку при перемещении контакта по ПЭ резистора микро­ неровности на его поверхности подвергаются деформации как в про­ дольном, так и в поперечном направлениях, и, следовательно пред­ ставляет интерес определить коэффициенты б и со кривой опорной поверхности проводящего слоя в этих двух направлениях.

Результирующие коэффициенты, рассчитывают как среднеквад­ ратичные коэффициентов в продольном (—) и поперечном (+ ) направлениях. Также рассчитываются результирующий радиус кри­ визны микронеровностей г и угол их наклона а:

б = (б-б+)0’5; со = (со_со+)0’5; г = (г-г+)°’я; tg a = (tg a _ tg а + )0.5

Изучение профилограмм поверхности проводящего слоя резистора СПЗ-9-1 с Rn 470 Ом и 4,7 кОм до и после испытания на износоустойчивость показало, что у последних большая высота мик­ ронеровностей, чем до испытания. На профилограммах образцов, подвергавшихся испытанию на износоустойчивость, присутствует участок с явно заметными следами сглаживания материала, но этот

135

участок по протяженности составляет не более 0,2 длины профило­ граммы.

Это свидетельствует о том, что абразивный износ не является основным видом износа. В пользу преобладания усталостного изно­ са говорит то, что на остальной части профилограмм имеются мик­ ронеровности с явно выраженными несглаженными выступами.

Увеличение высоты микронеровностей поверхности проводящего слоя образцов, подвергшихся испытанию на износоустойчивость, да­ же несмотря на истирание, хотя и слабое, происходит за счет углуб­ ления впадин, которые проникают в материал и становятся той осно­ вой, которая способствует дальнейшему процессу износа. Это происходит за счет того, что при взаимодействии контакта с прово­ дящим слоем микровыступы подвергаются действию сжимающих и растягивающих напряжений, которые недостаточно сильны для их отрыва или крошения, но достаточны для того, чтобы при большом числе циклов повторения «расшатать» микровыступы, углубить впа­ дины, т. е. тем самым уменьшить прочность материала поверхност­ ного слоя настолько, что даже незначительные напряжения, возни­ кающие в материале при давлении контакта на проводящий слой в 3—5Н, после 50—100 тыс. циклов повторения Ьызывают значитель­ ный износ слоя.

Изменение формы кривой поверхности и коэффициентов б и со для образцов, подвергшихся испытанию на износоустойчивость, свя­ зано с тем, что в силу определенного сглаживания поверхностного слоя и разрушения его в процессе усталостного износа распределение материала в шероховатом поверхностном слое меняется так, что еще при малых сближениях е в контакт вступает уже значительная часть материала шероховатого слоя.

Г л а в а т р е т ь я

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

3-1. Особенности композиционных полупроводниковых резисторов

Переменные композиционные резисторы — это рези­ сторы, ПЭ которых выполнен на основе композиции — гетерогенной системы, состоящей из проводящего, изо­ лирующего и связующего компонентов. Практически все типы композиционных резисторов, выпускаемых в нашей стране и за рубежом, выполняются на полупроводнико­ вых композициях, в которых проводящей фазой являются полупроводники — сажа, графит и различные окислы ме­ таллов (окись палладия, кадмия, олова и т. п.); в соот­ ветствии с принятой в настоящее время классификацией такие композиционные материалы отнесены к многофаз­

137

Ций переменных резисторов, с ПЭ на основе лакосажевых полупроводниковых композиций, обусловлено стремле­ нием полнее удовлетворить разносторонние запросы раз­ работчиков электронной аппаратуры.

Необходимость стандартизации электронных уст­ ройств, блоков и элементов аппаратуры поставила на повестку дня вопрос о создании унифицированных (ба­ зовых) конструкций переменных пленочных резисторов. Создание базовых конструкций потребовало точного ма­ тематического анализа параметров, элементов конструк­ ций переменных резисторов, создания методов их расчета. В результате научных исследований, выполненных на кафедре электротехнических материалов МЭИ и вычи­ слительных центрах МЭИ и 1-го Московского завода ра­ диодеталей, была создана теория расчета параметров переменных резисторов, на основе которой и были раз­ работаны унифицированные (базовые) конструкции пе­ ременных резисторов. В 1973 г. автором совместно со специалистами конструкторского бюро завершены науч­ ные исследования и опытно-конструкторские работы по созданию базовых конструкций переменных резисторов с номинальной мощностью рассеяния 0,25—2 Вт.

Лакопленочные переменные резисторы являются как в нашей стране, так и за рубежом основным видом пере­ менных резисторов общего назначения. За рубежом ос­ новными производителями данного типа резисторов яв­

в последние годы как в нашей стране, так и за рубежом все шире используются полупроводниковые композици­ онные пластмассы, примером может служить серия пере­ менных резисторов (СП4-1—СП4-7). Синтез и исследова­ ние проводящих пластмасс, перспективных для объемных ПЭ резисторов, находятся в центре внимания многих за­ рубежных исследователей. В результате ведущие зару­ бежные фирмы (Allen Bredley, Fairchild Camera Со., New England Instruments) и др. с начала 60-х годов пе­ решли к массовому выпуску переменных резисторов на основе проводящего пластика.

Одним из важнейших направлений исследований в области конструирования переменных резисторов явля­ ется разработка композиций с неорганическим связую-

139