Contact electric

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 19 iunie 2021; verificarea necesită 1 editare .

Contact electric - suprafața de contact a materialelor conductoare cu conductivitate electrică sau un dispozitiv care asigură un astfel de contact (conexiune). În funcție de natura materialelor aflate în contact, există contacte electrice de tip conductor-conductor (contacte mecanice), conductor - semiconductor și semiconductor-semiconductor.

Descriere

Suprafața reală de contact este de sute de ori mai mică decât aria nominală a suprafețelor de contact din cauza rugozității, neuniformității și prezenței peliculelor neconductoare. În același timp, sub influența sarcinii, diferite zone ale zonei sunt deformate în moduri diferite, curentul electric trece numai prin zona de contact, liniile de curent sunt atrase de ele, ca urmare, apare „rezistența la contracție”. . Rezistența la retragere pentru contactul materialului cu rezistivitatea : ${\rho}$

R_{c}=\rho /2a

,
unde este raza regiunii de contact.

A

Astfel, rezistența totală de contact este suma rezistenței materialelor. Problema creării de contacte electrice fiabile este încă nerezolvată. Dificultatea acestei sarcini este următoarea:

Deoarece suprafețele contactelor electrice sunt aspre, iar rezistența conductorului este invers proporțională cu aria sa transversală, aria de lucru a contactului electric este vizibil mai mică decât dimensiunile sale geometrice. Forma neregularităților suprafeței afectează în mod semnificativ mărimea rezistenței de contact și proprietățile operaționale ale contactelor electrice: rezistența la uzură a suprafețelor de frecare, rezistența la coroziune etc.
Mediul are un impact semnificativ asupra funcționării contactelor electrice. În cazul contactului între metale diferite cu potențiale electrochimice diferite , atunci când diferiți oxizi ( CO 2 , SO 2 etc.) conținuti în atmosferă interacționează cu umiditatea aerului, se formează soluții acide care, fiind electrolit, vor provoca o apariție galvanică. proces între electrozii perechii de contact. Coroziunea electrochimică va duce la distrugerea treptată a conexiunii de contact. În plus, în timp, oxidarea suprafețelor de contact în sine este posibilă, ceea ce duce la o creștere a rezistenței de tranziție.
Durabilitatea contactelor electrice este influențată și de factori precum: posibila supraîncălzire a zonei de contact, fretting , electromigrare , diferențe în coeficienții de dilatare termică a conductorilor de contact, puterea curentului etc.

Contacte fixe

Contactele dintr-o singură bucată în sensul deplin al cuvântului nu sunt absolut dintr-o singură bucată, dar separarea lor necesită distrugerea cel puțin parțială a contactului.

Exemple de contacte permanente:

îmbinări de lipit (cum ar fi plăcile de circuite imprimate )
conexiuni sudate (de exemplu, cabluri de lipit )
conexiuni sertizate (de exemplu, conectarea conectorilor la fire)
conexiuni cu nituri
instalare de ambalare
racord adeziv.

Contacte, al căror conector se realizează folosind instrumente

Contactele, al căror conector este realizat folosind instrumente, includ:

terminale
conexiune filetată (de exemplu, bare purtătoare de curent înșurubate pe urechi de sârmă).

Într-un sens mai larg, conexiunile lipite și cu fir se referă și la contacte care pot fi deconectate cu o unealtă (conexiuni condiționate).

Contacte detașabile

Conexiunile cu fișă , conexiunile filetate cu șuruburi sau filetele Edison (becuri, cleme cu șurub ) pot fi îndepărtate manual. Contactele conectate trebuie să reziste la mai puține operațiuni decât contactele de comutare, în timp ce menținerea unei rezistențe de contact scăzute este în prim-plan. Prin urmare, ele sunt adesea realizate din materiale de bază placate cu argint sau aur. Alte finisaje comune sunt tabla și cromul . Contactele detașabile neacoperite și șuruburile sunt realizate, de exemplu, din cupru, bronz sau alamă .

Rezistența de contact stabilă este o caracteristică importantă a unui contact bun. Modificările rezistenței de contact pot avea diverse cauze. Una dintre ele este pătrunderea electrică a coroziunii de înaltă rezistență și a straturilor exterioare, numită și fritting. Curentul de testare și căderea maximă admisă de tensiune sunt utilizate pentru a elimina efectul fritării asupra conexiunilor cu fișe . Un semn clar de fritting este o îndoire a tensiunii și a curentului, care indică o creștere a rezistenței de contact. Factorul decisiv pentru modificarea rezistenței de contact din cauza fritării este tensiunea de contact. În testele generale ale conexiunilor cu priză, folosirea unui curent de testare prea mare și a unei tensiuni în circuit deschis prea mare poate duce la fritting. Prin urmare, standardul de testare pentru conectorii cu fișă Norma IEC512 Teil 2 prescrie un curent de măsurare maxim de 100 mA, precum și o tensiune maximă în circuit deschis de 20 mV.

Comutați contacte

Contactele comutatoare pot fi găsite în contactoare , relee , butoane / întrerupătoare [1] . Sunt cele mai complexe contacte electrice, deoarece adesea trebuie să-și mențină proprietățile mecanice și electrice pe parcursul a mai multor milioane de cicluri de funcționare (cicluri de comutare):

pentru a evita oxidarea, este necesară rezistența la coroziune - ca material se folosesc metale nobile sau contactul funcționează în vid , gaz protector sau ulei
pentru a preveni eroziunea electrică, au un punct de topire ridicat (tungsten) la puteri mari.
pentru a obține o rezistență scăzută de contact trebuie să aibă o conductivitate electrică foarte bună (cupru, argint)
nu ar trebui să aibă tendința de a se suda (de exemplu, argint cu un amestec de oxid de staniu , anterior oxid de cadmiu ).

Toate aceste proprietăți nu pot fi combinate într-un singur contact comutator, astfel încât contactele de mare putere sunt fabricate din materiale diferite decât contactele de putere mică. Adesea, contactele de comutare constau, de asemenea, din combinații de materiale - de exemplu, contacte de cupru sau bronz placate cu metal nobil pentru puteri reduse și contacte poroase de tungsten acoperite cu argint pentru puteri mai mari.

Sunt frecvente și contactele de argint placate cu aur, care la putere de comutare scăzută își păstrează rezistența de contact scăzută (stratul de aur) și, de îndată ce sunt folosite pentru putere de comutare mare, își pierd stratul de aur, expunând un contact de argint solid. Contactele comutatoare din relee și întrerupătoare mici sunt adesea concepute pentru a fi utilizate atât în scopuri de semnalizare, cât și pentru puteri mari de comutare.

Deși foarte conductiv, argintul are o adaptabilitate limitată pentru capacități de comutare mici, deoarece formează straturi de sulfură de argint .

Cele mai importante caracteristici ale contactului comutator, așa cum sunt specificate de producător, sunt:

capacitatea de comutare
tensiune maximă de comutare
curent continuu tolerabil termic
curent maxim de pornire și putere de rupere la o anumită sarcină.

Contactele de comutare (taste, tastaturi) pentru semnale de impedanță ridicată constau adesea dintr-o pereche de conectori elastomerici pe o parte și aurii pe cealaltă parte. Sunt foarte fiabile și prezintă un contact scăzut .

Bounce de schimbare este închiderea și redeschiderea periodică în momentul comutării. Acest lucru duce la arderea crescută a contactelor comutatorului sau chiar la sudarea ("lipirea") contactelor. Circuitele digitale sunt uneori atât de rapide încât, fără contramăsuri, un contact multiplu va fi interpretat la o singură apăsare ca o comandă multiplă, în astfel de cazuri este necesară depanarea .

Contacte glisante

Contactele culisante sunt proiectate pentru a intra în contact cu părțile mobile. Exemplele includ comutatoare , colectoare de curent , inele colectoare și senzori de poziție, cum ar fi potențiometre sau encodere . Materialele folosite sunt cupru/aliaj de cupru și interfețe din grafit, precum și interfețe cu metale nobile .

Contacte cu autocurățare

Un contact cu autocurățare este un tip de contact cu acțiune în care unul dintre contacte se freacă de opusul, curățând astfel impuritățile care s-au depus în punctul de frecare. Utilizarea unui braț de contact flexibil are ca rezultat curățarea suprafeței de contact cu frecarea opusă atunci când brațul este ușor îndoit. Acest lucru îndepărtează rugina și murdăria de pe suprafața de contact electric, prevenind rezistența electrică cauzată de murdăria acumulată.

Contacte bifurcate

Într-un contact bifurcat, fiecare braț de contact este împărțit în două brațe mai mici, fiecare având propriul contact. Pentru acest circuit poate fi utilizat un singur circuit electric. Aceasta este o caracteristică de design care ajută la asigurarea unei performanțe mecanice mai stabile, un contact electric mai bun și o mai bună disipare a căldurii.

Formulare de contact

Asociația Națională a Producătorilor de Relee și succesorul său, Asociația Producătorilor de Relee și Comutatoare, definesc 23 de tipuri diferite de contacte electrice utilizate în relee și întrerupătoare [2] . Dintre aceste forme de contact, următoarele sunt cele mai comune:

Formular de contact A

Contactele forma A sunt în mod normal contacte deschise. Contactele sunt deschise atunci când nu există alimentare (magnet sau releu solenoid ). Când este prezent, contactul se închide. Denumit SPST-NO [2] .

Formular de contact B

Contacte normal închise. Acțiunea este logic inversă acțiunii contactelor de formă A. Desemnat SPST-NC [2] .

Formular de contact C

Contactele de forma C (contacte „de comutare” sau „de transmitere”) constau din două perechi de contacte, normal închise și normal deschise, care sunt controlate de același dispozitiv; există o legătură electrică comună între contactele fiecărei perechi, rezultând doar trei tipuri de cleme. Ele sunt de obicei denumite în mod normal deschise, reciproce și normal închise (NO-C-NC). SPDT desemnat [2] .

Aceste contacte sunt destul de comune în întrerupătoarele și releele electrice, deoarece un element de contact comun oferă o modalitate economică mecanic de a furniza mai multe contacte [2] .

Contacte din formularul D

Contactele de formă D (contacte de transfer continuu) diferă de contactele de formă C doar într-un singur aspect, ordinea întreruperii în timpul tranziției. Acolo unde Forma C asigură că ambele conexiuni sunt deschise pentru o perioadă scurtă de timp, Forma D asigură că toate cele trei terminale sunt închise pentru o perioadă scurtă de timp. Aceasta este o configurație relativ neobișnuită [2] .

K Form Contacts

Contactele forma K (centru) diferă de forma C prin faptul că există o poziție centrală sau normal deschisă unde nu se realizează nicio conexiune. Întrerupătoarele SPDT cu o poziție centrală oprită sunt comune, dar releele cu această configurație sunt relativ rare [2] .

Formular de contact X

Contactele forma X, sau contactele duble, sunt echivalente cu două contacte forma A în serie, conectate mecanic și controlate de un singur actuator și pot fi descrise și ca contacte SPST-NO. Ele se găsesc în mod obișnuit în contactoare și întrerupătoare basculante concepute pentru a gestiona sarcini inductive de mare putere [2] .

Formular de contact Y

Contactele forma Y, sau contactele cu întrerupere dublă, sunt echivalente cu două contacte forma B în serie, conectate mecanic și controlate de un singur actuator și pot fi descrise și ca contacte SPST-NC [2] .

Contacte formularul Z

Contactele de tip Z, sau contactele duble duble, sunt similare cu contactele forma C, dar au aproape întotdeauna patru conexiuni externe: două pentru normal deschis și două pentru normal normal închis. Ca și în cazul Formelor X și Y, ambele căi de curent includ două contacte în serie, conectate mecanic și controlate de un singur actuator. Precum și forma C, sunt desemnate SPDT [2] .

Materiale

Se pun cerințe mari asupra acoperirii suprafeței contactelor electrice [3] , în special la releele electrice cu un număr mare de cicluri de comutare (cicluri de lucru). La tensiuni de peste 50 de volți și curenți mari, se formează arcuri. Ele pot topi materialul de bază și pot promova oxidarea suprafeței. Compușii de wolfram sunt rezistenți la temperaturi ridicate, dar au o rezistență de contact destul de mare. Placarea cu aur conduce bine curentul și protejează împotriva coroziunii, dar se uzează rapid.

Pentru releele de putere mică (până la aproximativ 20 de amperi), un aliaj argint-nichel este o soluție bună. Pentru sarcini mari (100 Amperi) , oxidul de cadmiu aliat cu argint ( AgCdO ) este considerat materialul optim pentru a preveni lipirea contactelor . Pe de altă parte, directiva RoHS impune eliminarea treptată a cadmiului ori de câte ori este posibil . O alternativă bună este oxidul de staniu , de asemenea, aliat cu argint.

Cerințe de bază pentru materialul de contact [3] :

rezistență la coroziune
conductivitate electrică și termică ridicată
eroziune redusă
rezistență la formarea peliculei cu rezistență ridicată
valori înalte de tensiune
punct de topire ridicat (rezistență la arc)
ușurința procesării materialelor
cost scăzut.

În general, contactele pot fi realizate dintr-o mare varietate de materiale. Materialele tipice sunt [4] [5] :

Clasificare după compoziție

contacte semiconductoare. În cazul comutatoarelor cu semiconductor, este dificil să vorbim despre contacte, deoarece semiconductorul pur și simplu conduce sau nu conduce curentul. Cu toate acestea, chiar și aici, în timpul comutării sau comutării, o parte de energie va fi disipată în semiconductor. În stare deschisă, un semiconductor are întotdeauna o cantitate mică de scurgere de curent, ceea ce provoacă pierderi de putere și, prin urmare, încălzire. În starea închisă, există întotdeauna o cădere de tensiune pe semiconductor, care provoacă și încălzire. Cea mai mare încălzire are loc într-un circuit în care curge mult curent dacă semiconductorul este deja de înaltă tensiune. Căldura este principala problemă a comutatoarelor cu semiconductor. Al doilea punct este că, cu sarcini inductive puternice generate de supratensiuni, disiparea energiei în semiconductor devine inacceptabil de mare.
- comutatoare cu stare solidă . În funcție de aplicație, acestea sunt disponibile cu MOS, triac sau IGBT.
- comutatoare cu tiristoare . Tiristorul este adesea folosit în regulatoarele de putere simple. Cu un tiristor, unghiul de aprindere este ajustat în raport cu tensiunea de curent alternativ, astfel încât tensiunea medie să fie reglată. Un tip de tiristor este un triac . Folosit la variatoare. Triac-ul poate trece curentul în ambele direcții, tiristorul - doar într-o singură direcție.
- Comutatoare IGBT . Pentru a comuta curenți foarte mari, nu se folosesc tiristoare, ci IGBT-uri.
- comutatoare MOS
- contactele tranzistorului . Este folosit, de exemplu, în întrerupătoarele fără contact. Există versiuni NPN și PNP, așa că trebuie conectate diferit.
Contactele fixe metalice sunt cele mai frecvent utilizate contacte pe care le găsim în relee, contactoare, comutatoare cu came, microîntrerupătoare sau întrerupătoare lamelă .
Contactele cu mercur sunt în prezent interzise de directiva RoHS. În instalațiile mai vechi, contactele cu mercur au fost uneori folosite datorită capacității lor mari de comutare DC.

Teoria contactelor electrice

O mare contribuție la teoria și aplicarea contactelor electrice a avut-o Ragnar Holm , un fizician și cercetător suedez în domeniul ingineriei electrice [9] [10] .

Suprafețele netede și curate din punct de vedere macroscopic sunt aspre microscopic și contaminate cu oxizi, vapori de apă adsorbiți și poluanți atmosferici atunci când sunt expuse la aer. Când două contacte electrice metalice se ating, aria de contact metal-metal reală este mică în comparație cu suprafața totală de contact dintre contacte. În teoria contactelor electrice, o zonă relativ mică în care curge un curent electric între două contacte este numită un punct a, unde „a” înseamnă „roughness” ( în engleză asperitate ). Dacă un punct a mic este considerat o zonă circulară și rezistivitatea metalului este uniformă, atunci curentul și tensiunea din conductorul metalic au simetrie sferică, iar un calcul simplu poate lega dimensiunea punctului a de rezistență. a joncțiunii unui contact electric. Dacă există un contact metal-metal între contactele electrice, atunci rezistența de contact electric, sau ECR (spre deosebire de rezistența metalică de bază a contactului), se datorează în principal fluxului de curent printr-o zonă foarte mică, un punct. Pentru punctele de contact cu raze mai mici decât calea liberă medie a electronilor , are loc conductivitatea balistică a electronilor, ceea ce duce la un fenomen cunoscut și sub numele de rezistență Sharvin [11] . Forța de contact sau presiunea crește dimensiunea punctului a, ceea ce reduce rezistența la compresiune și rezistența contactului electric [12] . Când dimensiunea neregularităților de contact devine mai mare decât calea liberă medie a electronilor, contactele de tip Holm devin mecanismul de transport dominant, rezultând o rezistență de contact relativ scăzută [13] . $\lambda$

Apărare

Protejarea oamenilor

Contactele, în special întrerupătoarele, nu trebuie să prezinte un pericol pentru utilizator (de ex. electrocutare, vătămare mecanică). Aceasta este o clasă care definește nivelul de protecție electrică.

Contactele sunt, de asemenea, împărțite în 2 categorii:

„ contacte uscate ” - contactul nu are conexiune galvanică cu circuitele de alimentare și „împământare”, adică contactul este izolat galvanic de semnalul de comandă .
„contacte umede” [14] .

Definițiile lor nu exprimă gradul de umiditate, ci originea schimbării stării. Exemplu: releu de mercur cu contact umed.

Protecție împotriva elementelor externe

Contactele, în special întrerupătoarele, respectă standardul de protecție în funcție de utilizarea lor (mediu umed sau cu praf). Aceasta este clasa de protecție (IP). Acest standard nu definește protecția împotriva gazelor. Dar dacă prezența gazului este o limitare, IP68 este complet etanșat [15] .

Întreținere

In functie de alegerea producatorului, contactele contin materiale mai mult sau mai putin oxidabile. Clasa de protecție a persoanelor aleasă în timpul proiectării obligă să garanteze menținerea acestui nivel de siguranță pe toată durata de viață a contactului. Proiectarea și fabricarea trebuie să fie proiectate pentru a minimiza întreținerea preventivă și pentru a menține caracteristicile de comutare și conducție.

Cea mai ușoară metodă este curățarea suprafețelor de contact cu o perie de sârmă sau șmirghel. Dispozitivul este oprit și șters până când oxidul dispare.

Abrevieri și scheme

Abreviere	Sistem
SPST
SPDT
SPCO SPTT, co
DPST
DPDT

DPCO
2P6T

Vezi și

Literatură

Fedorov A. A., Popov Yu. P. Exploatarea echipamentelor electrice ale întreprinderilor industriale. — M.: Energoatomizdat, 1986. — 280 p.
Wolfgang Schufft Taschenbuch der Elektrischen Energietechnik. München: Carl Hanser Verlag, 2007 ISBN 978-3-446-40475-5
Manual de contact Ney - Contacte electrice pentru utilizări cu energie redusă . -retipărire a I. — Deringer-Ney, inițial JM Ney Co., 2014. (link indisponibil) (NB. Descărcare gratuită după înregistrare.)
Contacte electrice : principii și aplicații . - 2. - CRC Press , Taylor & Francis , 2014. - Vol. 105. - (Inginerie electrică și electronică). - ISBN 978-1-43988130-9 .
Contacte electrice: teorie și aplicare (engleză) / Williamson, JBP. — retipărire a celei de-a 4-a revizuite. - Springer Science & Business Media , 2013. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (NB. O rescrie a „ Manualului Contactelor electrice ”).
Manual Contacte electrice (neopr.) . — al 3-lea complet rescris. - Berlin / Göttingen / Heidelberg, Germania: Springer-Verlag , 1958. - ISBN 978-3-66223790-8 . [1] (NB. O rescrie și traducere a anterioarei „ Die technische Physik der elektrischen Kontakte ” (1941) în limba germană, care este disponibilă ca retipărire sub ISBN 978-3-662-42222-9 .)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren (germană) / Vinaricky, Eduard; Schröder, Karl-Heinz; Weiser, Iosif; Keil, Albert; Merl, Wilhelm A.; Meyer, Carl Ludwig. - 3. - Berlin / Heidelberg / New York / Tokyo: Springer-Verlag , 2016. - ISBN 978-3-642-45426-4 .

Note

↑ Cum funcționează releele | Diagrame relee, definiții și tipuri de relee . www.galco.com. Data accesului: 13 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Secțiunea 1.6, Manualul Releelor Inginerilor, Ed. a 5-a, Asociația Industriei Relee și Comutatoare, Arlington, VA; Ed. a 3-a, Asociația Națională a Producătorilor de relee, Elkhart Ind., 1980; a 2-a Ed. Hayden, New York, 1966; mari părți ale ediției a 5-a sunt online aici Arhivat 5 iulie 2017. .
↑ 1 2 Contacte electrice de comutare, mobile și fixe (rusă) ? . rusvolt.su. Data accesului: 13 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ Materiale de contact electric . PEP Brainin (13 decembrie 2013). Data accesului: 13 noiembrie 2019.
↑ Contacte electrice și ansambluri de contact | Deringer-Ney Inc.
↑ Contacte de argint: Contacte electrice C.M.W. web.archive.org (6 septembrie 2011). Data accesului: 13 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ Contacte - Shin-Etsu Polymer Europe BV . www.shinetsu.info Data accesului: 13 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ Wayback Machine . web.archive.org (14 mai 2012). Data accesului: 13 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ Conferința IEEE HOLM . ieee-holm.org. Data accesului: 13 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ 416 (Vem är det: Svensk biografisk handbok / 1969) (suedeză) . runeberg.org. Data accesului: 13 noiembrie 2019.
↑ Zhai, C. și colab. Comportament electro-mecanic interfacial la suprafețe rugoase (engleză) // Extreme Mechanics Letters: journal. - 2016. - Vol. 9 . - P. 422-429 . - doi : 10.1016/j.eml.2016.03.021 .
↑ Contacte electrice : teorie și aplicații . — al 4-lea. — Springer, 1999. - ISBN 978-3540038757 .
↑ Zhai, C.; Hanaor, D.; Proust, G.; Gan, Y. Stress-Dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces (engleză) // Journal of Engineering Mechanics : journal. - 2015. - Vol. 143 , nr. 3 . — P. B4015001 . - doi : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
↑ IEC 60050 - Vocabular electrotehnic internațional - Detalii pentru numărul IEV 714-18-10: „contact umezit” . www.electropedia.org Preluat: 14 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ Polina Osokina. Ce este IP68: fără umiditate și praf . Revista online CHIP. Preluat: 14 noiembrie 2019. (Rusă)