Электрические контакты

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 контакта-

ми 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 микровы­ступов и микровпадин (рис. 16.1). Поэтому площадь реально кон­тактируйте 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 удельное давление сравняется с пре­делом прочности материала на смятие. Характер зависимости сопротивления контактного перехода R_K от удельного контактного давления .F_yд (рис. 16.1, в) показывает, что увеличение F_yд 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: P_k=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 п 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.

Рекомендуемые материалы

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 контактов могут быть подразделены на три основных типа: точеч­ные, линейные и поверхностные. Точечные контакты (рис. 16.2, а) имеют вид конусов или полусфер, соприкасающихся с плоскостью или полусферой в одной точке. Такие контакты предназначены для переключения 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_п, 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 мостнковый 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 самоустановки под­вижных контактов относительно неподвижных, что компенсирует износ контактов и некоторые неточности при их изготовлении. Пол­ный ход упора 1 состоит из раствора контактов х_о и провала х_п (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 0. 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 О₂

и вместе с рычагом 1 относительно оси О₁ В результате подвижный контакт 2 перекатывается по неподвижному 3. В замкнутом поло-

женив контактирование про­исходит в точке В. Перекаты­вание способствует очищению контактов от окисиых 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 одного-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

                                            R_k=a/F^b                              (16.1)

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

Для точечных контактов b =0,5; для линейных Ь = 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 R_K) обеспечиваются при покрытии меди слоем олова (лужение). Слой олова препятству­ет образованию оксида, поэтому для луженых  медных контактов

Ещё посмотрите лекцию "40. Метод ядерного магнитного резонанса" по этой теме.

коэффициент a<0,1. Большие значения а получаются для нелуже­ных плоскостных медных контактов, поскольку у них имеются уча­стки, покрытые слоем окиси. Для серебряных контактов а = б,06. Интересно отметить, что электропроводность оксида серебра и чис­того серебра примерно равны.

Для малых контактных усилии в высокочувствительных реле применяются благородные металлы (платина, золото, платиноирн-дии) при контактных усилиях F=0,010,05 Н. Эти материалы не окисляются и мало подвержены эрозии. При контактных усилиях F=0,05ч1 Н и малой частоте срабатывания применяется серебро, которое имеет хорошую электропроводность, легко обрабатывается, но имеет невысокую твердость и подвержено эрозии. При контакт­ных усилиях F=0,31 Н и большой частоте срабатывания исполь­зуются металлокерамические контакты, получаемые путем спекания смеси порошков двух металлов: серебра с вольфрамом, молибде­ном или никелем, меди с вольфрамом или молибденом. При кон­тактных усилиях F>1 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.