Разработка программного обеспечения микропроцессорной системы автоматической коррекции скорости / Книга / Раздел 3 / Глава 16

Глава 16

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

§ 16.1. Режим работы контактов

В коммутационных и электромеханических элементах, предназна­ченных для переключений электрических цепей при ручном и авто­матическом управлении, основным является контактный узел. Именно надежность контактного узла определяет работоспособ­ность любой коммутационной аппаратуры.

Контактный узел состоит из подвижного и неподвижного кон­тактов. Эти контакты могут находиться в замкнутом и разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии сопротивление между контакта­ми должно быть минимальным. Это сопротивление называют со­противлением контактного перехода. Казалось бы, для того чтобы обеспечить малое сопротивление контактного перехода, надо увели­чить площадь соприкосновения контактов. Однако даже при самой тщательной шлифовке поверхности контактов остается много мик-ровыступов и микровпадин (рис. 16.1). Поэтому площадь реально контактирующей поверхности меньше площади контактов. Для того чтобы увеличить реальную контактирующую поверхность, надо приложить силу, прижимающую контакты друг к другу. В первый момент при сближении контактов они соприкасаются лишь в одной точке (рис. 16.1, а), площадь которой очень мала, а сопротивление контактного перехода велико. Усилие прижима F создает на малой площади большое удельное давление, что приводит к смятию мате­риала контактов, увеличению площади соприкосновения и появле­нию новых точек соприкосновения (рис. 16.1, б). Удельное давление

уменьшается, и процесс сближения контактов и смятия их материа­ла завершится тогда, когда это удельнре давление сравняется с пре­делом прочности материала на смятие. Характер зависимости со­противления контактного перехода R^ от удельного контактного давления F_yu (рис. 16.1, в) показывает, что увеличение F_yu целесооб­разно только до некоторого предела, при котором сопротивление R_K уже достаточно близко к минимально возможному, определяемому электропроводностью материала контактов. Через замкнутые кон­такты проходит ток /, и они нагреваются под действием выделяю­щейся теплоты, соответствующей мощности потерь в контактном переходе: Р_к = I²R_K. Поэтому допустимое значение тока, проходяще­го через контакты, зависит от термической прочности контактов и от условий теплоотвода, т. е. от конструкции и размеров контактов.

В разомкнутом состоянии сопротивление контактов должно стремиться к бесконечности (практически миллионы ом), что обес­печивается изолирующими свойствами среды в контактном проме­жутке и расстоянием между контактами. В разомкнутом состоянии контакты подвергаются химическому воздействию окружающей среды, происходит их коррозия. Эта коррозия заключается в образо­вании оксидных (под действием кислорода воздуха) и сульфидных (под действием серы воздуха) пленок. У некоторых материалов (на­пример, у меди) эти пленки обладают большим сопротивлением, что приводит к увеличению сопротивления контактного перехода при замыкании контактов.

Наиболее тяжелый режим работы контактов связан с размыка­нием электрической цепи, поскольку при размыкании контактов между ними возникает электрическая дуга. При этом происходит расплавление контактов и их износ, который называется электриче­ской эрозией.

Таким образом, в процессе работы контакты подвергаются ме­ханическому истиранию, химической коррозии и электрической эрозии. Уменьшить отрицательное влияние этих факторов можно при правильном выборе конструкции контактов и их материала.

§ 16.2. Конструктивные типы контактов

По форме контактирующих поверхностей все конструкции контак-' тов могут быть подразделены на три основных типа: точечные, ли­нейные и поверхностные. Точенные контакты (рис. 16.2, а) имеют вид конусов или полусфер, соприкасающихся с плоскостью или по­лусферой в одной точке. Такие контакты предназначены для пере-

ключения малых токов. Линейные контакты (рис. 16.2, б) имеют вид двух цилиндрических поверхностей, или призмы и плоскости, со­прикасающихся по линии. Они предназначены для средних и боль­ших токов. Плоскостные контакты (рис. 16.2, в) имеют соприкосно­вение по плоскости и предназначены для больших токов.

Контактные узлы включают в себя кроме контактов витые или плоские пружины, обеспечивающие силу прижима между контак­тами.

На рис. 16.3 показан рычажный контактный узел, состоящий из двух плоских пружин с неподвижным 1 и подвижным 2 контактами.

Пружины жестко закреплены одним концом в изоляционном основании 3. Перемещение подвижного контакта 2 происходит под действием упора 4. После того как подвижный контакт 2 перемес­тится на величину раствора контактов х₀, произойдет замыкание контактов. Обе пружины получат дополнительный прогиб на вели­чину провала контактов х^, поскольку движение упора 4 немного продолжится. За счет этого произойдет проскальзывание контактов (его еще называют притиранием), которое необходимо для удаления пыли и оксидной пленки с поверхности контактов.

На рис. 16.4 показан мостиковый контактный узел, обеспечива­ющий разрыв электрической цепи в двух местах, что повышает на­дежность работы. При перемещении упора 1 мостик с двумя по­движными контактами 3 перемещается в направлении двух непо­движных контактов 4 до соприкосновения контактов. Витая пружина 2 обеспечивает усилие прижима и возможность самоуста-

новки подвижных контактов относительно неподвижных, что ком­пенсирует износ контактов и некоторые неточности при их изготов­лении. Полный ход упора 1 состоит из раствора контактов д^, и про­вала х„ (аналогично контактному узлу по рис. 16.3).

На рис. 16.5 показан рычажный контактный узел с шарнирным закреплением подвижного контакта 2, соприкасающимся с непо­движным контактом 3 по линии. Контактное нажатие осуществля­ется с помощью пружины 4. Перемещение подвижного контакта происходит при повороте рычага 1 против часовой стрелки относи­тельно оси О_{. Сначала подвижный контакт 2 перемещается на ве­личину раствора контакта до соприкосновения с неподвижным кон­тактом 3 в точке А. После этого подвижный контакт совершает сложное движение, поворачиваясь одновременно относительно оси О_г и вместе с рычагом 1 относительно оси O_t. В результате подвиж­ный контакт 2 перекатывается по неподвижному 3. В замкнутом по­ложении контактирование происходит в точке В. Перекатывание способствует очищению контактов от окисных пленок, а главное — точка В не подвергается электрической эрозии в момент размыка­ния контактов.

§ 16.3. Материалы контактов

При выборе материала контактов необходимо обеспечить выполне­ние целого ряда требований: большая механическая прочность, вы­сокая температура плавления, хорошие теплопроводность и элект­ропроводность, устойчивость против коррозии и эрозии. Низкая стоимость, конечно, желательна, но она не относится к основным требованиям. Основные требования — это те, которые обеспечива­ют высокую надежность. Известны случаи, когда отказ одно-го-единственного контакта приводил к потерям, в миллионы раз превышающим стоимость этого контакта.

Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удов­летворяют серебро, золото, платина и их сплавы, вольфрам, медь (табл. 16.1).

Сопротивление контактного перехода определяется по формуле

где а — коэффициент, зависящий от материала и обработки поверх­ности контакта; F — контактное усилие; b — коэффициент формы контактов.

Для точечных контактов Ь « 0,5; для линейных b ?= 0,55-=-0,7; для плоскостных b « 1,0.

Коэффициент а для меди, например, находится в пределах от 0,07 до 0,28, т. е. может изменяться в четыре раза. Наименьшие зна­чения а (и соответственно сопротивления Л_к) обеспечиваются при покрытии меди слоем олова (лужение). Слой олова препятствует об­разованию оксида, поэтому для луженых медных контактов коэф­фициент а < 0,1. Большие значения а получаются для нелуженых плоскостных медных контактов, поскольку у них имеются участки, покрытые слоем окиси. Для серебряных контактов а = 0,06. Инте­ресно отметить, что электропроводность оксида серебра и чистого серебра примерно равны.

Для малых контактных усилий в высокочувствительных реле применяются благородные металлы (платина, золото, платиноири-дий) при контактных усилиях F= 0,01-^0,05 Н. Эти материалы не окисляются и мало подвержены эрозии. При контактных усилиях F= 0,05-^1 Н и малой частоте срабатывания применяется серебро, которое имеет хорошую электропроводность, легко обрабатывается, но имеет невысокую твердость и подвержено эрозии. При контакт­ных усилиях F= 0,3-Й Ни большой частоте срабатывания использу­ются металлокерамические контакты, получаемые методами порош­ковой металлургии (путем спекания смеси порошков двух металлов: серебра с вольфрамом, молибденом или никелем, меди с вольфра­мом или молибденом). При контактных усилиях F> I H и большой частоте срабатывания применяется вольфрам.

Наиболее дешевым материалом является медь, она применяется для мощных контактов, имеющих сравнительно большие размеры и требующих большого расхода материала. Контактные усилия для меди'F> 3 Н. Для защиты от коррозии кроме лужения применяется серебрение или кадмирование медных контактов.

Контрольные вопросы

1. От каких факторов зависит сопротивление контактного перехода?

2. Какие конструкции контактного узла применяют для повышения на­дежности его работы?

3. Какие материалы используют для контактов?