9zip.ru Инструкции Требования, предъявляемые к контактам. Замкнутое состояние, размыкание контактов.

1. Электрические свойства:

а) Контакты должны выдерживать значительный ток. Для первичных контактов некоторых вибраторов он достигает 5 а.

б) Контакты должны надежно разрывать цепь со значительным напряжением; для вторичных контактов — до 300 в.

в) Контакты должны иметь небольшое переходное сопротивление — обычно не больше 0,05 ом.

г) Контакты не должны благоприятствовать возникновению и поддержанию между ними дугового разряда.

2. Физические свойства:

а) Высокая твердость и стойкость к истиранию.

б) Высокая температура плавления.

в) Хорошая теплопроводность (для быстрого отвода выделяющегося тепла).

3. Химические свойства:

а) Отсутствие склонности к образованию непроводящих поверхностных пленок.

Работоспособность и срок службы контактов зависят от следующих основных факторов:

а) Размеры и форма контактов.

б) Контактное давление.

в) Частота срабатываний.

г) Быстрота замыкания и размыкания.

д) Величины коммутируемых тока и напряжения.

е) Наличие в коммутируемой цепи индуктивности, способствующей поддержанию дуги, или, наоборот, наличие элементов искрогашения.

Для того чтобы суметь правильно выбрать нужный тип вибратора и правильно использовать его применительно к тем или иным условиям работы в вибропреобразователе, необходимо рассмотреть работу контактов с учетом всех перечисленных факторов, а также познакомиться с основными физическими явлениями в контактах.

По форме контактных поверхностей контакты вибратора могут быть разделены на точечные и плоские.

Точечные контакты применяются только в цеп'и возбуждения. В них касание осуществляется между плоской поверхностью одного контакта и сферической поверхностью другого. В основных цепях вибропреобразователя, как первичных (низковольтных), так и вторичных (высоковольтных), применяются почти исключительно плоские контакты. Их контактные поверхности представляют собой тщательно пригнанные, плотно прилегающие плоскости.

Как бы тщательно ни были подогнаны контактные плоскости, какой бы ровной и гладкой ни была их поверхность (обычно она делается зеркальной), фактический контакт (электрическое соединение) имеет место всегда лишь в отдельных точках. Касание происходит только в отдельных небольших участках контактной поверхности. Количество и площадь этих участков увеличиваются при смятии микроскопических выступов, неизбежно имеющихся на поверхности контактов, т. е. в конечном счете зависят от контактного давления.

Из теории контактов известно, что и эти микроскопические площадки не являются целиком токопроводящими. На поверхности всегда имеются чужеродные тела и непроводящие пленки. Прохождение тока возможно только в тех местах, где эти пленки нарушены. Буквой Р здесь обозначена вся видимая, кажущаяся контактная поверхность. Действительное соприкосновение происходит только на участках ее, обозначенных Р0. Вследствие наличия непроводящих пленок ток проходит только через малые площадки а, где эти пленки нарушены. Поскольку количество и суммарная площадь всех контактных площадок зависят от деформации контактных поверхностей под воздействием контактного давления, вполне естественно, что переходное сопротивление таких контактов обратно пропорционально давлению
Как видим, при одинаковом контактном давлении сопротивление серебряных контактов в 10 раз меньше, чем вольфрамовых. Поэтому для работы при самых низких первичных напряжениях — 2,5 в и ниже, где падение напряжения на сопротивлении контакта играет заметную роль, целесообразно п-рименять вибраторы с первичными контактами из серебра.

Поскольку основная часть контактного сопротивления сосредоточена в точках касания, естественно, что в ближайших окрестностях этих точек имеет место значительный нагрев. Нагрев же в свою очередь вызывает увеличение сопри неизменном контактном давлении. Если температура окружающей среды постоянна и равна, например, 20° С, то нагрев контакта однозначно определяется протекающим по нему током, или, иначе, падением напряжения на переходном сопротивлении контакта. Поэтому кривая сопротивления построена сразу в масштабах и температур и напряжений. Кривая относится к контактам из меди, но ход ее является характерным для всех чисто металлических контактов.

Кривая сопротивления не однозначна. Верхняя ветвь кривой соответствует повышению температуры (или падения напряжения на контакте). При повышении напряжения (или температуры) до величины, сответствующей точке 1 (движение вдоль кривой по стрелке), сопротивление контакта монотонно возрастает за счет увеличения удельного сопротивления металла при нагревании.

Дальнейшее повышение температуры приводит к довольно быстрому снижению сопротивления контакта вплоть до точки 2. Причиной этого является некоторое размягчение материала контактов, вследствие чего происходит дополнительное смятие контактных поверхностей. Это смятие происходит до тех пор, пока не восстановится равновесие между контактным давлением и сопротивлением контактов деформации смятия. Равновесие это теперь наступает при меньшем удельном давлении, но зато при большей суммарной площади элементарных контактных площадок.

После установления равновесия при дальнейшем повышении температуры сопротивление снова начинает возрастать. Наконец, в точке 3 рост сопротивления прекращается и величина его резко падает до точки 4, что свидетельствует о расплавлении материала контактов и слиянии обоих контактных тел в единое целое.

Так идет процесс при повышении температуры контактов, или, что то же самое, тока через контакты, или, что равносильно, контактного напряжения. Ход кривой при понижении напряжения зависит от исходного состояния контактов, предшествовавшего понижению температуры. Если исходное состояние соответствует отрезку кривой, предшествующему точке 1, то процесс будет обратимым, т. е. при снижении температуры изображающая точка будет возвращаться по той же кривой. Если же точка 1 пройдена, то процесс становится необратимым и изображается отрезком кривой, который лежит ниже первоначального.

Необходимо только помнить, что эти величины допустимых нагрузок получены нами из рассмотрения замкнутого состояния контактов без учета дополнительного износа контактов при замыканиях и размыканиях. Кроме того, сама величина контактного сопротивления в так называемом динамическом режиме, т. е. при работе вибратора, получается примерно в 3 раза больше, чем при неподвижно замкнутых контактах.

Поэтому в вибраторах, где за время срока службы контакты на протяжении сотен часов совершают сотни миллионов замыканий и размыканий, могут быть допущены значительно меньшие токи. Подробнее об этом оказано ниже.

Однако встречаются случаи, когда вибраторы коммутируют токи порядка 10—20 а. Сюда относятся всякого рода установки кратковременного действия, как, например, аварийные радиостанции и т. п., где срок службы вибратора не превышает нескольких часов. Как показал опыт, в течение такого короткого времени вибраторы выдерживают весьма значительную перегрузку.

Момент размыкания является наиболее тяжелым для контактов, поскольку в этот момент возможно возникновение дуги. Наиболее тяжелы условия размыкания в цепи, полное сопротивление которой носит индуктивный характер, что, к сожалению, как раз и встречается чаще всего на практике.

Когда контакты начинают размыкаться, это проявляется сначала в уменьшении контактного давления, что, как мы установили, сопровождается увеличением сопротивления контактов. Когда давление уменьшается до очень малых величин, сопротивление контакта настолько возрастает, что может сделаться сравнимым с сопротивлением той цепи, в которую контакты включены. При наличии в цепи индуктивности это повлечет за собой возникновение э. д. с. самоиндукции одного направления с напряжением источника тока. Эффективная поверхность контакта при этом уменьшается и в пределе стремится к точке. В этой точке при размыкании происходит столь значительный местный нагрев, что материал контактов плавится и образуется жидкий мостик. По мере того как контакты продолжают расходиться, мостик растягивается, становится тоньше, особенно у положительного контакта *. Наконец, мостик разрывается, образуя капельку металла на отрицательном электроде. На положительном электроде в это время образуется углубление— кратер. Такое разрушение материала контактов называется электроэрозией. Как мы видели, эрозия сопровождается переносом металла контактов. Так бывает, по крайней мере, в подавляющем большинстве случаев.

Характер эрозии и направление переноса металла зависят от таких обстоятельств, как величина напряжения и тока в цепи, от электрических параметров цепи, в которую включены контакты, от окружающей среды. Для того чтобы разобраться в этом явлении, проследим дальше процесс размыкания контактов.

После того как жидкий мостик разорвался, ток в цепи может либо прекратиться, если напряжение между контактами и ток в моменты размыкания малы, либо может возникнуть дуговой или искровой разряд.

Для возникновения дуги необходимо, чтобы коммутируемые напряжение и ток превышали величины, соответствующие предельной кривой дугообразования. Кривые дугообразования с известным приближением могут быть приняты за гиперболы, асимптотически приближающиеся к некоторым минимальным значениям тока и напряжения, ниже которых дуга вообще не может возникнуть. Это значит, что если, например, ток меньше известной минимальной величины, то дуга не может возникнуть ни при каком значении напряжения. Точно так же дуга не зажигается ни при каком сколь угодно большом токе, если напряжение меньше критической величины. Предельный ток составляет: для вольфрама 1,4 а, для серебра 0,45 а. Предельное напряжение: для вольфрама 16 в, для серебра 13 в. Если контакты поместить в сосуд, наполненный азотом или водородом, то условия образования дуги затрудняются. Особенно хорошо работают контакты вибратора в водородной среде, так как водород обладает большой теплопроводностью (в 17 раз выше, чем у воздуха), вследствие чего он хорошо охлаждает контакты. Кроме того, водород восстанавливает окислы, образующиеся на контактных поверхностях. Еще лучшие результаты получаются, если газ, окружающий контакты вибратора, находится под повышенным давлением, порядка 1—2 ати.

Рассмотрим влияние дугового разряда на разрушение контактов. Если режим контакта начинает превышать предельную кривую дугообразования, между контактами может возникнуть дуга за счет ионной проводимости газа й контактном зазоре. При этом ионы газа, бомбардируя катод, нагревают и разрушают его. Если ток достаточно велик, то перенос металла может даже изменить свое направление, а при некотором промежуточном значении тока дуги /0 суммарный Перенос металла может сделаться равным нулю. Это не означает, конечно, что при помощи дуги можно полностью устранить («компенсировать») электроэрозию контактов, ибо даже при таком оптимальном режиме дуги поверхность контактов разрушается, становится неровной за счет образования впадин и наростов на поверхности одного и того же контакта.

При дальнейшем увеличении тока продолжает возрастать перенос металла с катода на анод, т. е. в направлении, противоположном тому, которое было без дуги. Наконец, при весьма больших токах контакты (в первую очередь анод) раскаляются настолько, что начинается разбрызгивание металла. Тогда перенос металла вторично меняет свое направление.

Перейдем к рассмотрению того случая, когда коммутируемый ток меньше предельного тока дугообразования. В этом случае при достаточно большом напряжении между контактами может произойти искровой разряд.

Физическая сущность искрового разряда состоит в том, что газовая среда, разделяющая контакты, под действием достаточно сильного электрического поля ионизируется и временно становится проводящей. По образовавшемуся каналу сквозной проводимости от катода к аноду устремляется мощный поток электронов. Происходит пробой контактного промежутка.

Спустя несколько сотен микросекунд после пробоя тяжелые положительные ионы, которые движутся значительно медленнее электронов, достигают катода, обрушиваются на него и могут вызвать значительный местный нагрев его поверхности.

Если источник тока обладает достаточной мощностью для того, чтобы поддерживать в течение этого времени напряжение между контактами, то между ними устанавливается длительная электронно-ионная проводимость, т. е. дуга. Если же источник тока не в состоянии обеспечить достаточную длительность импульса, то проводимость контактного промежутка нарушается и может быть восстановлена только при новом пробое. Это и есть искровой разряд.

Из кривой зависимости пробивного напряжения от расстояния между контактами, находящимися в воздухе при нормальном атмосферном давлении, для случая малых расстояний видно, что минимальное напряжение, необходимое для искрового разряда, составляет 300 в. Эта кривая точно так же, как и приведенная выше предельная кривая дугообразования, относится к холодным контактам. При нагреве контактов соответствующие величины напряжений значительно уменьшаются.

По мнению А. С. Займовского и В. В. Усова, наличие искрового разряда не оказывает значительного влияния на эрозию контактов, которая при отсутствии дуги осуществляется главным образом за счет образования жидких мостиков.

Вообще говоря, замыкание контактов вызывает меньшую эрозию, чем размыкание. Исключение составляют те случаи, когда замыкание сопровождается «дребезгом» контактов, а также когда коммутируемая цепь носит емкостный характер.

В вибропреобразователях почти всегда имеются емкости, которые так или иначе входят в цепь контактов. Эти емкости вводятся в схему для облегчения коммутации, для подавления высокочастотных помех, для сглаживания пульсаций и т. д. Во всех случаях эти емкости в той или иной степени влияют на работу контактов.

Рассмотрим случай так называемой искрогасящей емкости, включаемой параллельно контактному промежутку.

К этому случаю могут быть приведены все остальные путем соответствующего пересчета элементов схемы.

При размыкании контактов емкость поглощает энергию экстратока размыкания, т. е. энергию, накопленную в индуктивности (индуктивность большей или меньшей величины имеется во всякой цепи хотя бы в виде индуктивности соединительных проводов). Таким образом емкость облегчает размыкание контактов. Иначе обстоит дело при замыкании.

При сближении контактов наступает такой момент, когда зазор между ними становится настолько мал, что при достаточном напряжении между контактами проскакивает искра, которая, однако, не успевает перейти в дугу, так как в следующий момент времени происходит плотное замыкание контактов.

В этот момент емкость, шунтирующая контакты, замыкается накоротко и энергия, накопленная в ней, выделяется в переходном сопротивлении контакта. Поскольку дуга не успевает образоваться, разряд носит искровой характер, следовательно, перенос металла направлен от анода к катоду.

Различные наиболее характерные случаи эрозии контактов: а — ток меньше предельного тока дугообразования; эрозия за счет жидких мостиков; б — ток достаточен для возникновения дуги; эрозия идет главным образом при размыкании контактов; перенос металла происходит в обратном направлении (с катода на анод); в — ток значительно больше предельного; эрозия идет за счет разбрызгивания металла; г — работа контактов при наличии искрогасящей емкости; при размыкании эрозии практически не происходит; эрозия при замыкании увеличилась.

Схема наглядно демонстрирует влияние искрогасящей емкости. Особенно эффективной оказывается такая емкость при значительном токе, достаточном для дугообразования. В этом случае перенос металла при замыкании, обусловленный емкостью, имеет обратное направление по сравнению с переносом при размыкании. Происходит как бы компенсация переноса металла.

Помимо рассмотренных причин, дугообразование и вообще износ контактов зависят от ряда условий неэлектрического порядка и в первую очередь от температуры контактов. Академик В. М. Миткевич еще в 1904 г. доказал на опыте, что при достаточно высокой температуре электродов дуга может гореть при весьма малом напряжении, вплоть до 2 в. Поэтому охлаждение контактов во время работы имеет большое значение.

Состояние поверхности контактов также имеет значение. Наименее подвержены дугообразованию контакты с ровной, зеркально-гладкой поверхностью.

Как уже указывалось, большое значение имеет среда, в которой контакты работают.

Контактное давление имеет особенное значение для вольфрамовых контактов. Если серебряные контакты удовлетворительно работают при самых небольших давлениях, начиная с 20 г, то для вольфрамовых контактов давления ниже 100 г вообще недопустимы, ибо они не обеспечивают разрушения оксидной и сульфидной пленок, образующихся на поверхности вольфрама. При длительном хранении вибраторов возможно образование настолько значительных пленок, что контакт нарушается и вибратор при включении не запускается. Эффективным средством борьбы с этим вредным явлением является наполнение баллона вибратора водородом или инертным газом, или же сухим воздухом, желательно при повышенном давлении.

д) Форма, размеры и материал контактов

Наиболее подходящими для вибратора являются контакты так называемого «заклепочного» типа, с плоскими контактными поверхностями. В цепи возбуждения вибратора часто применяют пару сфера — плоскость, т. е. один контакт со слабовыпуклой поверхностью в виде сферы большого радиуса, а другой — плоский.

При выборе размеров контактов диаметр их может быть приблизительно определен по графику. Соответствующие величины диаметров и токов должны лежать внутри заштрихованной части графика. При этом верхняя граница заштрихованной области относится к контактам, предназначенным для длительной эксплуатации (сотни часов), а нижняя граница — к контактам кратковременного действия (работа вибратора в течение нескольких часов). Чаще всего для основных контактов вибратора берут диаметр 4 мм. Контакты возбуждения могут иметь диаметр 2—3 мм.

В качестве материала для контактов применяют вольфрам, серебро и так называемые композиции или иначе — металлокерамику. Серебро дает малое переходное сопротивление, порядка 0,005 ом.

Вольфрам дает большее сопротивление, порядка 0,05 ом, но зато меньше подвержен всем видам износа. Вольфрамовые контакты мало подвержены свариванию при коммутации больших токов.

Композиции имеют своей основой какой-либо твердый тугоплавкий металл с пористой структурой, поры которого заполнены хорошо проводящим, но менее прочным и стойким металлом. Таковы, например, композиции: серебро — вольфрам, медь — вольфрам и серебро — окись кадмия. Физические свойства композиций занимают обычно промежуточное положение среди свойств их составных частей.

Вольфрам и некоторые композиции обладают недостаточной ковкостью для того, чтобы из них можно было делать контакты в форме заклепок и приклепывать последние к контактодержателям. В таких случаях контакты делают составными. Они состоят из основания, так называемой подушки из мягкой стали, и лепешки из контактного материала.

Контактная лепешка припаивается или приваривается к подушке, а последняя приклепывается к контактодержателю.

Понравилась статья? Винни Пух говорит: поделись с друзьями!