2.3 Конструирование неподвижных контактов.

Наиболее простыми по конструкции и надежными являются неразъемные контакты, в которых контактирующие поверхности соединены через слой припоя. В таких контактах переходное сопротивление обычно очень мало благодаря большой общей площади контакта, а при соблюдении технологии пайки поверхностные пленки отсутствуют. Поэтому неразъемные контакты могут выполняться даже из таких дешевых материалов, как медь, медные сплавы и алюминий. Поскольку пайка алюминиевых проводов затруднительна, для их неразъемного соединения применяют технологию холодной сварки давлением.

При конструировании разъемных контактов особое внимание необходимо уделять обеспечению стабильной силы контактного нажатия. Для этого часто используются пружины, прижимающие контактирующие поверхности. В некоторых случаях, если направление взаимного движения контактов при сочленении разъемных контактов не совпадает с направлением силы контактного нажатия (например, в штепсельных разъемах), возникают значительные силы трения, затрудняющие соединение разъемных контактов. При большом количестве контактов в разъеме для сочленения разъема приходится в конструкцию вводить внешнее винтовое соединение, что позволяет создавать большие усилия. Для разъемов, содержащих сотни контактов, разработана оригинальная конструкция с отдельным механизмом создания сил контактного нажатия. В таких разъемах сочленение производится при отсутствии контактного нажатия, т.е. без сил трения. Когда разъем соединен, специальный механизм обеспечивает достаточную силу контактного нажатия на всех контактах. Чтобы разъединить разъем, предварительно надо выключить контактное нажатие.

Одно из самых главных условий, обеспечивающих исправную работу разъемных контактов – соединение и разъединение контактов должно производиться в обесточенном состоянии. Для коммутации под нагрузкой, т.е. замыкания и размыкания электрической цепи по которой протекает ток предназначены разрывные контакты, условия работы которых из-за этого значительно сложнее.

2.4 Конструирование разрывных контактов.

Главная особенность функционирования разрывных контактов - коммутация цепей под током, требует учитывать при их конструировании эффекты, которые отсутствуют у неподвижных контактов.

Процесс выключения разрывного контакта состоит из двух этапов – уменьшение силы контактного нажатия от расчетного значения до нуля и разведения контактов.

При уменьшении силы контактного нажатия, будет происходить, как было описано выше, увеличение переходного сопротивления R_K , что приведет к повышению температуры в областях соприкосновения контактных микроплощадок, число которых будет уменьшаться. К моменту уменьшения силы нажатия до нуля материал контакта на малом числе микроплощадок будет разогрет до расплавления.

При разведении контактов расплавленный металл контактов будет образовывать жидкий мостик, перекрывающий зазор между контактами, сохраняя электрическую цепь, по которой продолжает протекать ток (рис 20). По мере разведения контактов длина жидкого мостика увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. Повышается плотность тока и выделение тепла в материале мостика, что приводит к испарению и разбрызгиванию части расплавленного металла жидкого мостика. В этот момент электрическая цепь разрывается. Длина жидкого мостика в момент разрушения составляет сотые доли миллиметра. Испарение металла при разрыве жидкого мостика вызывает местное разрушение или эрозию контактов (мостиковый перенос).

Рис.20.

Образование жидкого мостика при размыкании контакта.

Дальнейшее развитие процессов в размыкаемой цепи зависит от параметров коммутируемой электрической цепи. В образовавшемся после разрушения мостика пространстве между металлическими поверхностями контакта присутствует электростатическое поле, напряженность которого определяется отношением разности потенциалов на контактах к расстоянию между ними. Если коммутируется низковольтная активная цепь, то напряженность поля в зазоре может оказаться недостаточной для ионизации газового промежутка между контактами и процесс размыкания цепи на этом завершается. Цепь становится разомкнутой и по ней не протекает электрический ток.

Иначе развиваются процессы в цепи с активно-индуктивной нагрузкой, коммутируемой контактом (рис.21). Процессы в этой цепи описываются уравнением

(10)

В разомкнутом состоянии контакт имеет очень большое сопротивление, равное сопротивлению изоляции между контактами. Величина сопротивления изоляции R_ИЗ у правильно спроектированных контактов составляет от единиц до тысяч мегом. По сравнению с сопротивлением нагрузки в обычных цепях сопротивление изоляции можно считать бесконечно большим. Ток в цепи нагрузки ничтожно мал. Все напряжение питания цепи падает на сопротивлении разомкнутого контакта.

Рис.21.

Цепь коммутируемая контактом.

При замыкании контакта его сопротивление уменьшается до малой величины (доли Ома). В соответствии с уравнением (10) ток в цепи увеличивается по экспоненте с постоянной времени τ=L_Н/R_Н. Падение напряжения на контакте не превышает U_K1 (доли вольта).

При размыкании контакта сопротивление цепи увеличивается до сопротивления изоляции и ток быстро уменьшается. Падение напряжения на контакте в соответствии с уравнением (10) составит

Большая скорость изменения тока вызовет появление в цепи ЭДС самоиндукции, величина которой может составить сотни и тысячи вольт (рис.22).

Рис.22

Изменение тока и напряжения при размыкании контакта.

В момент разрушения жидкого мостика напряженность электрического поля в образовавшемся зазоре может достигнуть киловольт на миллиметр, что приведет к ионизации воздуха. Ионизированная среда является проводником электрического тока и между контактами возникает газовый разряд, который принимает форму электрической искры или дуги.

Конкретная форма газового разряда зависит от параметров электрической цепи. На рис. 23 показаны вольт - амперные характеристики (ВАХ) электрической дуги. Параметры ВАХ дуги J_O и U_O зависят от свойств материала контактов и окружающей среды и приводятся в справочниках.

U0

Рис.23.

Вольтамперные характеристики электрической дуги.

На рис.23 представлены не одна, а целое семейство ВАХ дуги. Каждая ВАХ соответствует определенному расстоянию между контактами (длине дуги). Первая ВАХ соответствует расстоянию между контактами равному нулю. С помощью этой ВАХ можно определить возможность возникновения дуги в конкретной электрической цепи. Для этого на рис.23 надо провести линию нагрузки, соединяющую точки U_ПИТ и «ток короткого замыкания» J_K = U_ПИТ / R_H. Если линия нагрузки не пересекает первую ВАХ, то дуга на контактах при размыкании не возникает. Газовый разряд принимает форму электрической искры.

Ток в канале искры поддерживается за счет энергии, запасенной в магнитном поле индуктивности, и после разряда индуктивности газовый разряд прекращается. Обычно искра представляет собой кратковременный процесс длительностью от микросекунд до миллисекунд. Тем не менее, высокая температура в канале искры (до 10000К) вызывает разрушение контактов – электрическую эрозию значительно более интенсивную, чем мостиковый перенос. Срок службы контактов может существенно сократиться. Поэтому в цепях с индуктивностью для увеличения срока службы контактов применяют специальные меры по искрогашению, исключающие возникновение искры.

Если линия нагрузки пересекает первую ВАХ, то на контактах при размыкании возникает дуга. В отличие от искры, ток в канале дуги поддерживается энергией от источника питания электрической цепи, поэтому дуга может гореть неопределенно долго. При питании от источника постоянного напряжения в установившемся режиме ток дуги остается постоянным, т.е. режим цепи находится в состоянии равновесия. По рис.23 видно, что в цепи возможны два состояния равновесия (т. А и т. Б). В этих точках напряжение питания уравновешивается суммой падения напряжения на дуге U_Д и падением напряжения на нагрузке U_H=J_H*R_H, откуда следует, что

.

Из двух состояний равновесия (А и Б) только одно является устойчивым, которое будет показывать реальный ток в цепи. Устойчивому равновесию соответствует т.А (доказать самостоятельно, проанализировав знак производной тока в соответствии с уравнением (10) при случайном отклонении тока дуги от точек А и Б). По мере разведения контактов расстояние между ними увеличивается и ВАХ дуги смещается вверх. Пока линия нагрузки пересекает ВАХ, дуга продолжает гореть. При увеличении расстояния между контактами до такой величины, при которой пересечения ВАХ дуги и линии нагрузки уже не будет, дуга гаснет. Высокая температура в канале дуги (до 10000К) способствует быстрому разрушению контактов. Основной прием уменьшения эрозии контактов под действием дуги – увеличение скорости разведения контактов и, соответственно, уменьшению времени горения дуги. В сильноточных цепях разработаны различные способы уменьшения эрозии от воздействия дуги.

В слаботочных цепях, характерных для приборостроения и вычислительной техники, дуговых разрядов при размыкании контактов не возникает.

Для уменьшения эрозии при проектировании контактов стараются увеличить скорость разведения контактов, что особенно важно, если контакты коммутируются вручную (кнопки и переключатели).

При включении контактов возможно появление "дребезга контакта", вызванного тем, что после соприкосновения контактов за счет инерции быстро движущегося контакта и упругости всей контактной конструкции происходит кратковременное размыкание контактов с последующим повторным замыканием. Такой "отскок" контактов может быть многократным (рис.24).

Рис.24.

Явление «дребезга контакта».

Если такой "дребезжащий" контакт подает сигнал в быстродействующую электронную схему, то вместо одного импульса схема получит и успеет отреагировать на серию коротких импульсов, что может нарушить работу схемы. Для устранения влияния "дребезга" разработаны и применяются специальные электронные схемы, которые рассматриваются в курсе электроники и приводятся в специальных справочниках.