2.2 Основы расчета и проектирования электрических контактов
Все контакты по особенностям их устройства и функционирования можно классифицировать следующим образом (рис.17).
Рис. 17
Виды контактов.
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 конструкции. Основные способы создания неразъемных контактных соединений:
- 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 разъемных 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 (коллекторно-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 железнодорожный транспорт).
Разрывные контакты предназначены для коммутации электрических цепей 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.
Точечные контакты: сфера-сфера, сфера-плоскость, пересекающиеся цилиндры.
Линейные контакты: цилиндр-плоскость, параллельные цилиндры.
Плоскостные контакты – плоскость-плоскость.
У различных конструктивных типов контактов различная реальная площадь соприкосновения и различная нагрузочная способность, т.е. коммутируемый ток. Наибольшей нагрузочной способностью обладают плоскостные контакты, наименьшей - точечные.
При протекании тока по контакту в нем выделяется Джоулево тепло, температура контакта повышается, что может привести к сокращению срока службы контакта или к выходу его из строя.
Для определения рабочих режимов контакта исследована связь между величиной падения напряжения на контакте UK и величиной контактного сопротивления 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 сопротивления материала контакта. При некотором значении UK , обозначаемом UK1, сопротивление 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.
Рис.18
Зависимость RK от UK.
Резкое уменьшение контактного сопротивления при UK = UK1 вызвано тем, что температура в точках контакта повышается настолько, что изменяются механические свойства материала и уменьшается его прочность на сжатие. Материал контакта размягчается и при сохранении силы контактного нажатия FК увеличивается суммарная площадь элементарных площадок контакта. Сопротивление стягивания уменьшается.
При достижении UK = UK2 происходит новое уменьшение прочности материала 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
-
Материал контакта
Падение напряжения (в)
UK1
UK2
Pt
0,22 – 0,40
0,70
Ni
0,16 – 0,30
0,65
Au
0,08 – 0,14
0,45
Ag
0,08 – 0,10
0,35
Cu
0,09 – 0,13
0,45
W
0,12 – 0,25
0,80
Одним из важных параметров проектируемого контакта является расчетное значение коммутируемого тока JK. Расчет контакта начинается с предварительного выбора размера, геометрии и материала контакта.
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
Зная геометрию контакта и допустимое контактное сопротивление RK, по формуле (9) определяется минимально необходимая величина силы контактного нажатия FК. Конструкция контактного устройства должна обеспечивать величину найденного значения FК в течение всего срока службы. Если в процессе эксплуатации контактного устройства из-за износа и разрегулировки деталей или старения материалов произойдет снижение силы контактного нажатия FК, увеличится контактное сопротивление RK и, соответственно, UK, что приведет к увеличению выделения тепла в материале контакта и выходу контакта из строя.
Образование пленок на поверхности контактов может существенно увеличить переходное сопротивление контакта и даже вывести контакт из строя. Поэтому при проектировании контактов вопросу образования пленок уделяется очень серьезное внимание. Есть два основных способа борьбы с вредным влиянием поверхностных пленок – удаление пленки при замыкании контакта и предотвращение появления пленок.
Для удаления пленки в процессе замыкания контактный механизм проектируется таким образом, чтобы при замыкании контакты скользили по поверхности друг друга. Это позволяет механически разрушать поверхностную пленку и обеспечивать контакт очищенных металлических поверхностей. Метод достаточно грубый, остатки пленки присутствуют на поверхности контактов, а сами контакты быстро изнашиваются. Этот метод применяется только в неответственных случаях благодаря тому, что является самым дешевым, поскольку позволяет применять контакты из меди, железа, алюминия и т.п. материалов.
Поскольку пленки на поверхности контактов образуются при взаимодействии 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 поверхности 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 ответственных контактах, например при установке кристалла микросхемы в корпус выводы кристалла соединяются с выводами корпуса микросхемы проводниками из золота.
Высокая стоимость благородных металлов заставляет искать более экономичные 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 коррозионной 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 используют 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 образовывать пленки при наличии в окружающей среде активных компонентов, например соединений серы.
Таблица 2
-
Материал контактов
Плот ность г/см3
Температура плавления,
оС
Удельное сопротивление, омОм*м*10-8
Серебро
10,5
960
1,6
Платина
21,3
1770
11,6
Палладий
11,9
1554
10,7
Золото
19,3
1063
2,4
Серебро – золото (10%)
11,4
965
3,6
Серебро – палладий (5%)
10,5
975
3,8
Серебро – палладий (10%)
10,6
1000
5,8
Серебро – палладий (20%)
10,7
1070
10,1
Серебро – медь (10%)
10,3
778
2,0
Платина – иридий (10%)
21,6
1780
24,5
Платина – иридий (20%)
21,7
1815
30,0
Платина – серебро (40%)
11,0
1290
35,8
Палладий – медь (40%)
10,4
1200
35,0
Золото – серебро (30%)
16,6
1025
10,4
Платина – золото - серебро
17,1
1000
16,8
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 контактирующие 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 используется внешнее магнитное поле.
Рис.19.
Геркон
Контактные пластины геркона, вваренные в стенки корпуса, изготавливаются из ферромагнитного материала (железа, никеля) и обладают упругостью. При отсутствии 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 значения, упругие контактные пластины геркона соприкасаются, обеспечивая электрический контакт между ними. После выключения внешнего магнитного поля за счет упругости пластин контакт размыкается.