В комутаційних і електромеханічних елементах, які призначені для перемикання електричних кіл при ручному і автоматичному управлінні, базовим є контактний вузол. Саме надійність контактного вузла визначає працездатність будь-якої комутаційної апаратури.
Контактний вузол складається з рухомого і нерухомого контактів. Ці контакти можуть знаходитись у замкненому і розімкненому стані. В замкненому стані опір між контактами повинен бути мінімальним.
Цей опір називають опором контактного переходу. Здавалося б, для того, щоб забезпечити малий опір контактного переходу, потрібно збільшити площу зіткнення контактів. Однак, навіть при дуже ретельній шліфовці на поверхні контактів залишається багато мікровиступів і мікрозападин (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Зміна опору контактного переходу в залежності від зусиль натиску
Тому площа поверхні, що реально контактує менша за площу контактів. Для того, щоб збільшити поверхню, що реально контактує, потрібно прикласти силу, яка притисне контакти один до одного. В першу мить при зближенні контактів вони стикаються лише в одній точці (рис. 2.17, а), площа якої дуже мала, а опір контактного переходу великий. Зусилля натиску F створює на малій площі більший тиск, що призводить до зім’ятості матеріалу контактів, збільшенню площі зіткнення і появі нових точок зіткнення (рис. 2.17, б). Питомий тиск зменшується, і процес наближення контактів і зім’ятості їх матеріалу закінчується тоді, коли цей питомий тиск зрівнюється з межею міцності матеріалу на зім’ятість. Характер залежності опору контактного переходу Rк від питомого контактного тиску Fn (рис. 2.17, в) показує, що збільшення Fn доцільно лише до певної межі, при якій опір Rk вже достатньо близький до мінімально можливого, що визначається електропровідністю матеріалу контактів. Через замкнені контакти проходить струм І і вони нагріваються під дією теплоти, що виділяється і відповідає потужності втрат в контактному переході: Рк=І2Rк. Тому допустиме значення струму, що проходить через контакти, залежить від термічної міцності контактів і від умов тепловідводу, тобто від конструкції і розмірів контактів.
В розімкненому стані опір контактів повинен наближатись до нескінченності (практично мільйони Ом), що забезпечується ізолювальними властивостями середовища в контактному проміжку і відстанню між контактами. В розімкненому стані під дією хімічного впливу навколишнього середовища відбувається корозія контактів. Ця корозія полягає у виникненні оксидних (під дією кисню повітря) і сульфідних (під дією сірки повітря) плівок. В деяких матеріалах (наприклад, в міді) ці плівки мають великий опір, що призводить до збільшення опору контактного переходу при замиканні контактів.
Найбільш складний режим роботи контактів пов’язаний з розмиканням електричного кола, оскільки при розмиканні контактів між ними виникає електрична дуга. При цьому відбувається розплавлення контактів і їх зношування, яке називається електричною ерозією.
Таким чином, під час роботи контакти підлягають механічному стиранню, хімічній корозії та електричній ерозії. Зменшити негативний вплив цих факторів можна при правильному виборі конструкції контактів і їх матеріалу.
Конструктивні типи контактів. За формою поверхонь, що контактують всі конструкції контактів можуть бути розділені на три основних типи: точкові, лінійні і площинні. Точкові контакти (рис. 2.18, а) мають вигляд конусів або напівсфер, які стикаються з площиною або напівсферою в одній точці. Такі контакти призначені для перемикання малих струмів. Лінійні контакти (рис. 2.18, б) мають вигляд двох циліндричних поверхонь або призми і площини, що стикаються по лінії. Вони призначені для середніх і великих струмів. Площинні контакти (рис. 2.18, в) мають стикання по площині і призначені для великих струмів.
Контактні вузли включають, окрім контактів, кручені або плоскі пружини, які забезпечують силу натискання між контактами.
На рис. 2.19 наведений важільний контактний вузол, який складається з двох плоских пружин з нерухомим 1 і рухомим 2 контактами.
Рис. 2.18. Основні типи контактів
Пружини жорстко закріплені одним кінцем в ізоляційній основі 3. Переміщення рухомого контакту 2 відбувається під впливом упора 4. Після того, як рухомий контакт 2 переміститься на величину розхилу контактів Хо, відбудеться замикання контактів. Обидві пружини отримають додатковий прогин на величину прогину контактів Хп,, оскільки рух упора 4 трохи продовжиться. За рахунок цього відбудеться прослизання контактів (його ще називають притиранням), яке необхідне для знищення пилу і оксидної плівки з поверхні контактів.
Рис. 2.19. Важільний контактний вузол
На рис. 2.20 показаний мостовий контактний вузол, який забезпечує розрив електричного кола в двох місцях, що підвищує надійність роботи. При переміщенні упора 1, місток з двома рухомими контактами 3 переміщується в напрямку двох нерухомих контактів 4 до стикання контактів. Кручена пружина 2 забезпечує зусилля притискання і можливість самовстановлення рухомих контактів відносно нерухомих, що компенсує зношування контактів і деякі неточності при їх виготовленні. Повний хід упора 1 складається з розхилу контактів Хо і провалу Хп (аналогічно контактному вузлу на рис. 2.19).
На рис. 2.21 наведений важільний контактний вузол з шарнірним закріпленням рухомого контакту 2, який торкається нерухомого контакту 3 по лінії. Контактне натискання відбувається за допомогою пружини 4.
Переміщення рухомого контакту відбувається при обертанні важеля 1 проти годинникової стрілки відносно осі О1. Спочатку рухомий контакт 2 переміщується на величину розхилу контакту до стикання з нерухомим контактом 3 в точці А.
Після цього рухомий контакт здійснює складний рух, обертаючись одночасно відносно осі О2 і разом із важелем 1 відносно осі О1. В результаті рухомий контакт 2 перекочується по нерухомому 3. В замкненому стані контактування відбувається в точці В. Перекочування сприяє очищенню контактів від окисних плівок, а головне – точка В не підлягає електричній ерозії під час розмикання контактів.
Рис. 2.20. Мостовий контактний Рис. 2.21. Важільний контактний
вузол вузол з контактами, які
перекочуються
Матеріали контактів. Обираючи матеріал контактів, необхідно забезпечити виконання ряду вимог: велику механічну стійкість, високу температуру плавлення, високу теплопровідність і електропровідність, стійкість проти корозії та ерозії. Низька вартість бажана, але вона не відноситься до основних вимог. Основні вимоги – це ті, які забезпечують високу надійність. Відомі випадки, коли відмова лише одного контакту призводить до втрат, які в мільйони разів перевищують вартість цього контакту.
Перерахованим вище вимогам найбільшою мірою задовольняють срібло, золото, платина та їх сплави – вольфрам, мідь (табл. 2.3).
Опір контактного переходу визначається за формулою:
Rk=a/ Fb,
де а – коефіцієнт, який залежить від матеріалу і обробки поверхні контакту; b – коефіцієнт форми контактів; F – контактне зусилля. Для точкових контактів b
0,5; для лінійних b
0,55-0,7; для площинних b
1,0.
Таблиця 2.3
Матеріали для контактів
Матеріали
Густина, г/см3
Твердість за Вікерсом
Точка плавлін-ня, 0С
Питомий опір,
Ом /см×106
Тепло-провід-ність, Вт/ (см×С, град)
Срібло
10,5
26
960
1,6
4,186
Платина
21,3
65
1770
11,6
0,71
Паладій
11,9
40
1554
10,7
0,71
Золото
19,3
20
1063
2,4
2,92
Срібло-золото (10%)
11,4
29
965
3,6
1,98
Срібло-паладій (10%)
10,6
40
1000
6,8
1,46
Срібло-мідь (10%)
10,3
62
778
2,0
3,42
Платина-ірідій (20%)
21,6
120
1780
24,5
0,3
Платина-срібло(40%)
11,0
95
1290
35,8
0,312
Золото-срібло(30%)
32
1025
10,4
0,667
Коефіцієнт а для міді, наприклад, знаходиться в межах від 0,07 до 0,28, тобто може змінюватись в чотири рази. Найменше значення а (і відповідно опору Rk) забезпечується при покритті міді шаром олова (лудіння). Шар олова перешкоджає виникненню оксиду, тому для луджених мідних контактів коефіцієнт а < 0,1. Великі значення а отримуються для нелуджених площинних мідних контактів, тому що вони мають місця, що покриті шаром окису. Для срібних контактів а = 0,06. Електропровідність оксиду срібла і чистого срібла майже однакова.
Для слабких контактних зусиль у високочутливих реле використовуються благородні метали (платина, золото, платиноірідій) при контактних зусиллях F = 0,01-0,05 Н. Ці матеріали не окислюються і мало піддаються ерозії. При контактних зусиллях F = 0,05-1 Н і малій частоті спрацьовування використовується срібло, яке має добру електропровідність, легко оброблюється, але має низьку твердість і піддається ерозії. При контактних зусиллях F = 0,3-1 Н і на великій частоті спрацьовування використовуються металокерамічні контакти, що отримують шляхом спікання суміші порошків двох металів: срібла з вольфрамом, молібденом або нікелем, міді з вольфрамом або молібденом. При контактних зусиллях F >1 Н і на великій частоті спрацьовування використовується вольфрам.
Найдешевшим матеріалом є мідь, яка використовується для потужних контактів, що мають порівняно великі розміри і потребують великої витрати матеріалу. Контактні зусилля для міді F >3 H. Для захисту від корозії окрім лудження використовується посріблення або кадмування мідних контактів.
Васюра А.С. – книга “Електромагнітні механізми та виконавчі пристрої автоматики”
Хоть одна толкова стаття де все ясно