Лекція 6. Тема: “Електричні контактні з'єднання”

1.1 Загальні відомості.

Електричне з'єднання двох і більше провідників називають контактним з'єднанням, а поверхні зіткнення - контактними поверхнями.

Усі контактні з'єднання можна розділити на три групи:

1. Нерухомі чи нероз'ємні (тверді) контактні з'єднання.

2. Контактні з'єднання, що замикаються.

3. Ковзні контактні з'єднання, що забезпечують електричний контакт при відносному русі контактних поверхонь.

У залежності від конструкції і геометричної форми контактів, що з'єднуються, розрізняють три типи зіткнення контактних пар (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Способи зіткнення контактних пар.

У контактних з'єднаннях необхідно забезпечити притиснення контактних поверхонь з визначеною силою F_k. До контактних з'єднань пред'являються наступні вимоги:

1. Надійність електричного з'єднання.

2. Достатня механічна міцність.

3. Перегрів контактів не повинний перевершувати припустимої величини перевищення температури при нормальному струмі.

4. Контактні з'єднання повинні мати достатню електродинамічну і термічну стійкість при струмах коротких замикань.

5. Контактні поверхні повинні бути стійкими до навколишнього середовища.

Залежність опору між двома електродами й електричною ємністю С в вакуумі між цими електродами можна визначити з рівняння:

. (1.1)

Це рівняння дозволяє визначити ємність між електродами по опору між цими електродами і навпаки, по ємності визначати опір чи провідність:

; ,

де , Ф/м - абсолютна діелектрична постійна (проникність); с – швидкість світла (с = 310¹⁰ см/с);  - питома електропровідність, См/м; а – радіус електрода.

Перехідний опір окремого крапкового конденсатора можна визначити, виходячи з припущення, що наявність перехідного опору визначено звуженням ліній струму.

Розглянемо одну контактну площадку в припущенні, що вона має форму кола з площею S_o і радіусом a (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Площадка зіткнення реальних контактів 1 і 2.

Для визначення опору скористаємося залежністю між опором і ємністю між цими провідниками:

, (1.2)

де R - активний опір між електродами, ом; С - ємність між електродами, Ф; - питоме значення електричного опору матеріалу контактів, омм.

Електричний опір в одну сторону від площадки S_o буде

,

де - ємність між площадкою S_o і нескінченно віддаленої напівсфери.

Ємність відокремленої пластинки стосовно нескінченно вилученої півсфери може бути визначена з розгляду відокремленого еліпсоїда (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Еліпсоїд у потенційному полі заряду Q.

Потенціал такого еліпсоїда при його заряді Q дорівнює:

,

де х - відстань від еліпсоїда до еквіпотенціальної поверхні; dx - відстань між еквіпотенціальними поверхнями.

Ємність такого еліпса буде:

.

Якщо представити площадку S_o як окремий випадок еліпсоїда при a=b, c=0, одержимо:

.

Тоді

; .

Підставимо значення у вираз (1.2), в результаті одержимо:

.

Опір в обидва боки від площадки

.

При n крапках торкання опір контакту буде дорівнювати

. (1.3)

1.2. Перехідні опори контактів

Наявність у контактному з'єднанні місця переходу струму з одного провідника в іншій створює збільшення електричного опору в порівнянні із суцільним провідником таких же розмірів і форм.

Цей додатковий опір називають контактним опором R_k.

Тоді повний опір контактного з'єднання буде складатися з опору тіла контактних елементів R_t і опору R_k.

.

У свою чергу, опір R_k можна вважати складається з двох частин - перехідного опору, обумовленого нерівностями поверхонь опору R_п, і опору R_пл, обумовленого поверхневими плівками.

Перехідний опір контактів є дуже важливою характеристикою для всіх типів контактних з'єднань. Для з'ясування його природи розглядають зону переходу струму між дотичними поверхнями, що стикаються тільки в окремих крапках, як показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Крапки торкання реальних контактів.

Число крапок торкання залежить від сили натискання на контакти F_K і числа ступенів свободи, що стикають поверхні.

При незначному тиску число крапок буде дуже обмежено: одна, дві чи три, у залежності від числа ступенів свободи.

При збільшенні сили F_K у крапках опору матеріали мнуться й утворяться площадки, число яких буде збільшуватися в залежності від сили натискання і міцності металу контактних поверхонь.

Загальна площа точок дотику (елементарних площадок крапкових контактів)

,

де F_K - загальна сила стиску контактів;  - тимчасовий опір зминанню матеріалу контактів.

Величини тимчасових опорів зминанню найбільш розповсюджених провідникових матеріалів приведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1

Матеріал	вр. кг/см2
Мідь тверда	5200
Мідь м'яка	3900
Алюміній	9000
Срібло	3100
Цинк	4300
Олово	450
Свинець	230
Графит	1320

Перехід струму з одного провідника в іншій у контактному з'єднанні має вид, представлений на рис. 1.5.

Рис.1.5. Перехід струму з одного провідника в іншій.

Перехідний опір контакту з однією крапкою торкання визначається відповідно до виразу (1.3).

.

Приймаючи , одержуємо:

,

чи

. (1.4)

Тоді перехідний опір для крапкового контакту

, (1.5)

де - постійна величина для даного матеріалу.

При збільшенні сили натискання і збільшенні числа крапок торкання до n

. (1.6)

Перехідний опір контактів, які тількі зачистили, при великих силах натискання може бути визначене по емпіричній формулі

Ом , (1.7)

де k - коефіцієнт, що залежить від матеріалу контактів і стану поверхонь; m - коефіцієнт, що залежить від числа крапок торкання.

Значення k для різних контактних пар приведені в таблиці 1.2.

Таблиця № 1.2.

Матеріали контактів	k
Мідь - мідь	(0.08-0.14)10-3
Мідь - мідь (луджена)	(0.07-0.1)10-3
Срібло - срібло	0.0610-3
Алюміній - алюміній	0.12710-3
Алюміній - латунь	1.8510-3
Алюміній - мідь	0.9810-3
Сталь - сталь	7.610-3
Сталь - мідь	3.110-3

Значення k відносяться до випадку збільшення сили натискання.

Як видно з (1.7), перехідний опір залежить не від питомого тиску, а від повної сили натискання F_K.

Залежність перехідного опору контактів від сили F_K ілюструється кривими, представленими на графіку (рис. 1.6).

Значення m для різних типів контактів приведені в таблиці №1.3.

Таблиця 1.3.

Тип контакту	Тип з'єднання	m
Крапковий	Торцевий	0,5
	Панельний
	Шинний
Лінійний	Розетковий	0,7
	Лінійний роз'єднувач
Площинний (багатокрапковий)	Пальцевий	0,8...1,0
	Щітковий
	Площинний

Рис. 1.6. Залежності перехідного опору контактів

від сили натискання при різних способах торкання.

Опір контактів може значно змінюватися з появою плівок на поверхнях зіткнення.

При великих тисках опору плівок виявляються незначними, тому що вони руйнуються і R_ПЛ можна не враховувати. Опір плівок варто враховувати при малих тисках, що має місце в контактах електричних реле, блокконтактах у вторинних ланцюгах керування й ін.

Плівки на контактах утворюються також від агресивних середовищ, нагрівання контактів дії дуги й ін.

Однак навіть при відсутності плівок окислів на поверхні металу завжди мається шар адсорбованих газів, що також приводить до збільшення перехідного опору.

Додатковий опір від плівок залежить від питомого опору плівки _пл і її товщини d.

З урахуванням опору плівок

. (1.8)

У випадку малих тисків (порядку одиниць грам), радіус r буде малий і тоді з другим членом рівняння варто рахуватися.

Опір контактного з'єднання у великому ступені залежить від окислювання контактної поверхні, що може привести до збільшення опору в десятки і сотні разів.