ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

Увеличение длины и уменьшение поперечного сечения элементарных тру-

бок тока приводит к увеличению их сопротивления, что и выражается в появле-

нии дополнительного сопротивления RСТ. Величина сопротивления стягивания зависит от числа и суммарной площади элементарных площадок, которые в свою очередь зависят от свойств материала, геометрии контакта и величины силы контактного нажатия FК.

Опытным путем установлено, что величину RСТ можно с достаточной для практики точностью определять по эмпирической формуле

(9)

где a и b – справочные константы, зависящие от геометрии, размера и ма-

териала контакта (даются в справочниках) . Типовая зависимость RСТ(FК) пока-

зана на рис 16.

RСТ

FK

Рис.16

Влияние силы контактного нажатия

Составляющая RПЛ отображает дополнительное сопротивление, вызванное наличием на соприкасающихся поверхностях контакта пленок окислов, сульфи-

дов и других химических соединений, образующихся при реакции материала контакта с окружающей средой. Эти соединения могут иметь значительное элек-

трическое сопротивление даже при очень малой толщине. Например, двуокись

31

алюминия Al2O3 применяется в микроэлектронике или в электролитических кон-

денсаторах в качестве изолятора (диэлектрика).

Если контакт образован телами, выполненными из разных материалов, в

контакте кроме рассмотренного переходного сопротивления возникает ЭДС,

обусловленная различием концентрации носителей заряда (электронов) в мате-

риале контактирующих тел. Величина контактной ЭДС обычно составляет доли милливольта, но при создании прецизионных электронных схем ее приходится учитывать.

2.2 Основы расчета и проектирования электрических контактов

Все контакты по особенностям их устройства и функционирования можно классифицировать следующим образом (рис.17).

Электрические контакты

Неподвижные контакты в процессе функционирования остаются всегда в одном и том же замкнутом положении друг относительно друга.

Неразъемные контакты не могут быть разъединены без разрушения кон-

струкции. Основные способы создания неразъемных контактных соединений:

32

-пайка,

-сварка (в том числе термодиффузионная, холодная сварка давлением,

конденсаторная импульсная сварка, лазерная сварка),

-скрутка,

-склепывание,

-склеивание электропроводным клеем.

Разъемные контакты при необходимости могут быть разъединены и снова соединены без разрушения конструкции. Основные варианты конструкции разъ-

емных контактов:

-винтовое соединение,

-зажим клиновым соединением,

-соединение контактов с помощью пружины.

Подвижные контакты в процессе функционирования могут перемещаться друг относительно друга с сохранением электрической цепи.

Скользящие контакты применяются в электрических машинах (коллек-

торно-щеточные узлы машин постоянного тока, контактные кольца со щетками в машинах переменного тока), устройствах, обеспечивающих электрические цепи передачи сигналов на вращающиеся части, устройствах питания потребителей от контактных проводов (трамвай, троллейбус, электрифицированный железнодо-

рожный транспорт).

Разрывные контакты предназначены для коммутации электрических це-

пей под током

– включения и выключения питания,

- изменение конфигурации цепи в процессе работы и т.п.

Контакты по своей конструкции могут быть точечными, линейными или плоскостными.

33

Точечные контакты: сфера-сфера, сфера-плоскость, пересекающиеся ци-

линдры.

Линейные контакты: цилиндр-плоскость, параллельные цилиндры.

Плоскостные контакты – плоскость-плоскость.

У различных конструктивных типов контактов различная реальная пло-

щадь соприкосновения и различная нагрузочная способность, т.е. коммутируе-

мый ток. Наибольшей нагрузочной способностью обладают плоскостные кон-

такты, наименьшей - точечные.

При протекании тока по контакту в нем выделяется Джоулево тепло, тем-

пература контакта повышается, что может привести к сокращению срока службы контакта или к выходу его из строя.

Для определения рабочих режимов контакта исследована связь между ве-

личиной падения напряжения на контакте UK и величиной контактного сопро-

тивления RK. Экспериментально установлено, что при увеличении тока через контакт JK падение напряжения на нем UK возрастает нелинейно, по закону,

близкому к квадратическому. Это объясняется разогревом материала контакта в области малых площадок соприкосновения и увеличением удельного сопротив-

ления материала контакта. При некотором значении UK , обозначаемом UK1, со-

противление контакта резко уменьшается и в дальнейшем снова возобновляется увеличение RK (рис.18). Этот рост сопротивления продолжается до значения UK

= UK2, при котором переходное контактное сопротивление скачком уменьшается

до нуля.

RK

UK

34

Рис.18

Зависимость RK от UK.

Резкое уменьшение контактного сопротивления при UK = UK1 вызвано тем,

что температура в точках контакта повышается настолько, что изменяются меха-

нические свойства материала и уменьшается его прочность на сжатие. Материал контакта размягчается и при сохранении силы контактного нажатия FК увеличи-

вается суммарная площадь элементарных площадок контакта. Сопротивление стягивания уменьшается.

При достижении UK = UK2 происходит новое уменьшение прочности мате-

риала контакта на сжатие вплоть до плавления материала и под действием FК

происходит сваривание контактов. Нормальным режимом работы контакта должно быть

UK < UK1

Значения UK1 и UK2для различных материалов контактов приведены в

табл.1

Таблица 1

Одним из важных параметров проектируемого контакта является расчет-

ное значение коммутируемого тока JK. Расчет контакта начинается с предвари-

тельного выбора размера, геометрии и материала контакта.

35

Для обеспечения требуемого режима работы контакта, контактирующие поверхности должны быть прижаты друг к другу с определенной силой FК. По заданному значению JK и табличному значению UK1 для выбранного материала контактов определяется наибольшее допустимое значение RK

RK = U K1

J K

Зная геометрию контакта и допустимое контактное сопротивление RK, по формуле (9) определяется минимально необходимая величина силы контактного нажатия FК. Конструкция контактного устройства должна обеспечивать величи-

ну найденного значения FК в течение всего срока службы. Если в процессе экс-

плуатации контактного устройства из-за износа и разрегулировки деталей или старения материалов произойдет снижение силы контактного нажатия FК, уве-

личится контактное сопротивление RK и, соответственно, UK, что приведет к уве-

личению выделения тепла в материале контакта и выходу контакта из строя.

Образование пленок на поверхности контактов может существенно увели-

чить переходное сопротивление контакта и даже вывести контакт из строя. По-

этому при проектировании контактов вопросу образования пленок уделяется очень серьезное внимание. Есть два основных способа борьбы с вредным влия-

нием поверхностных пленок – удаление пленки при замыкании контакта и предотвращение появления пленок.

Для удаления пленки в процессе замыкания контактный механизм проек-

тируется таким образом, чтобы при замыкании контакты скользили по поверх-

ности друг друга. Это позволяет механически разрушать поверхностную пленку и обеспечивать контакт очищенных металлических поверхностей. Метод доста-

точно грубый, остатки пленки присутствуют на поверхности контактов, а сами контакты быстро изнашиваются. Этот метод применяется только в неответ-

ственных случаях благодаря тому, что является самым дешевым, поскольку поз-

воляет применять контакты из меди, железа, алюминия и т.п. материалов.

36

Поскольку пленки на поверхности контактов образуются при взаимодей-

ствии материала контакта с окружающей средой, для предотвращения появления пленок можно влиять либо на материал контакта, либо на состав окружающей среды.

Первый способ заключается в выборе таких материалов контактов, на по-

верхности которых при взаимодействии с окружающей средой не образуются химические соединения, препятствующие протеканию тока. Наилучшими в этом отношении свойствами обладают благородные металлы – золото и платина.

Они практически не вступают в химические реакции, и их поверхность всегда остается чистой. Именно поэтому золото и платина используются в наиболее от-

ветственных контактах, например при установке кристалла микросхемы в кор-

пус выводы кристалла соединяются с выводами корпуса микросхемы проводни-

ками из золота.

Высокая стоимость благородных металлов заставляет искать более эконо-

мичные варианты. Во многих случаях вместо чистых металлов используются сплавы золота или платины с дешевыми металлами – медью, кадмием, никелем и т.д. Эти сплавы также обладают достаточной для многих применений коррози-

онной стойкостью (табл. 2) /5/.

Другой прием экономии дорогих металлов при конструировании контактов

– изготовление из благородных металлов или их сплавов не всей конструкции контакта, а только небольших деталей, непосредственно соприкасающихся при замыкании контактов. Еще более экономичным приемом является применение покрытия из благородных металлов на поверхности контактирующих деталей в месте их соприкосновения.

Учитывая высокую стоимость контактов из благородных металлов, их ис-

пользуют при конструировании наиболее ответственных контактных устройств.

Для менее ответственных контактов широко используется серебро и его сплавы.

Такие контакты достаточно надежны в условиях обычной атмосферы, но могут

37

образовывать пленки при наличии в окружающей среде активных компонентов,

например соединений серы.

Таблица 2

Второй способ уменьшения влияния поверхностных пленок на величину контактного сопротивления заключается в проектировании особой конструкции контактного узла, в котором контактирующие поверхности изолированы от внешней среды. Самая распространенная конструкция, реализующая этот метод

– геркон (герметичный контакт), показанный на рис.19. В герконе контактиру-

38

ющие проводники вварены в стенки герметичного стеклянного корпуса, внутри которого вакуум или инертный газ. В такой среде на поверхности контактов пленки химических соединений не образуются, что обеспечивает уменьшение переходного контактного сопротивления. Для включения контактов геркона ис-

пользуется внешнее магнитное поле.

Рис.19.

Геркон

Контактные пластины геркона, вваренные в стенки корпуса, изготавливаются из ферромагнитного материала (железа, никеля) и обладают упругостью. При от-

сутствии внешнего магнитного поля контакты разомкнуты. Появление внешнего магнитного поля, направленного вдоль контактных пластин, магнитный поток,

проходящий через зазор между этими пластинами, вызывает появление силы,

стремящейся их сблизить. Когда магнитный поток достигает определенного зна-

чения, упругие контактные пластины геркона соприкасаются, обеспечивая элек-

трический контакт между ними. После выключения внешнего магнитного поля за счет упругости пластин контакт размыкается.

2.3 Конструирование неподвижных контактов.

Наиболее простыми по конструкции и надежными являются неразъемные контакты, в которых контактирующие поверхности соединены через слой при-

поя. В таких контактах переходное сопротивление обычно очень мало благодаря большой общей площади контакта, а при соблюдении технологии пайки поверх-

39

ностные пленки отсутствуют. Поэтому неразъемные контакты могут выполнять-

ся 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 неко-

торых случаях, если направление взаимного движения контактов при сочлене-

нии разъемных контактов не совпадает с направлением силы контактного нажа-

тия (например, в штепсельных разъемах), возникают значительные силы трения,

затрудняющие соединение разъемных контактов. При большом количестве кон-

тактов 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 тре-

ния. Когда разъем соединен, специальный механизм обеспечивает достаточную силу контактного нажатия на всех контактах. Чтобы разъединить разъем, пред-

варительно надо выключить контактное нажатие.

Одно из самых главных условий, обеспечивающих исправную работу разъемных контактов – соединение и разъединение контактов должно произво-

диться в обесточенном состоянии. Для коммутации под нагрузкой, т.е. замыка-

ния и размыкания электрической цепи по которой протекает ток предназначены

разрывные контакты, условия работы которых из-за этого значительно сложнее.

2.4 Конструирование разрывных контактов.

40