Elektrický kontakt

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. června 2021; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Elektrický kontakt - kontaktní plocha vodivých materiálů s elektrickou vodivostí nebo zařízení, které takový kontakt (spojení) zajišťuje. Podle povahy materiálů, které jsou v kontaktu, existují elektrické kontakty typu vodič-vodič (mechanické kontakty), vodič - polovodič a polovodič-polovodič.

Popis

Skutečná kontaktní plocha je stokrát menší než jmenovitá plocha kontaktních ploch kvůli drsnosti, nerovnosti a přítomnosti nevodivých filmů. Současně se pod vlivem zatížení různé oblasti oblasti deformují různými způsoby, elektrický proud prochází pouze kontaktní oblastí, proudové čáry jsou k nim přitahovány, v důsledku toho vzniká „odpor proti kontrakci“ . Odpor zatažení při kontaktu materiálu s odporem : ${\rho}$

R_{c}=\rho /2a

,
kde je poloměr kontaktní oblasti.

A

Celkový přechodový odpor je tedy součtem odporu materiálů. Problém vytváření spolehlivých elektrických kontaktů stále není vyřešen. Obtížnost tohoto úkolu je následující:

Protože povrchy elektrických kontaktů jsou drsné a odpor vodiče je nepřímo úměrný jeho průřezové ploše, je pracovní plocha elektrického kontaktu znatelně menší než jeho geometrické rozměry. Tvar povrchových nerovností výrazně ovlivňuje velikost přechodového odporu a provozní vlastnosti elektrických kontaktů: odolnost třecích ploch proti opotřebení, odolnost proti korozi atd.
Prostředí má významný vliv na činnost elektrických kontaktů. V případě kontaktu různých kovů s různými elektrochemickými potenciály , kdy různé oxidy ( CO 2 , SO 2 atd.) obsažené v atmosféře interagují se vzdušnou vlhkostí, vznikají kyselé roztoky, které jako elektrolyt způsobí galvanické proces mezi elektrodami kontaktní dvojice. Elektrochemická koroze povede k postupné destrukci kontaktního spojení. Časem je navíc možná oxidace samotných kontaktních ploch, což vede ke zvýšení přechodového odporu.
Na životnost elektrických kontaktů mají vliv také faktory jako: možné přehřátí kontaktní plochy, tření , elektromigrace , rozdíly v koeficientech tepelné roztažnosti kontaktujících vodičů, proudová síla atd.

Pevné kontakty

Jednodílné kontakty v plném smyslu slova nejsou absolutně jednodílné, ale jejich oddělení vyžaduje alespoň částečné zničení kontaktu.

Příklady trvalých kontaktů:

pájené spoje (jako jsou desky s plošnými spoji )
svařované spoje (například pájecí vodiče )
krimpovací spoje (např. připojení konektorů k drátům)
nýtové spoje
instalace balení
lepicí spoj.

Kontakty, jejichž spojka se provádí pomocí nástrojů

Kontakty, jejichž konektor je vyroben pomocí nástrojů, zahrnují:

terminály
závitové připojení (například tyče s proudem našroubované na drátěná oka).

V širším smyslu se pájené a drátové spoje také týkají kontaktů, které lze rozpojit nástrojem (podmíněné spoje).

Odnímatelné kontakty

Zástrčky , závitové spoje se šrouby nebo Edisonovy závity (žárovky, šroubové svorky) lze odstranit ručně. Zásuvné kontakty musí vydržet méně operací než spínací kontakty, přičemž do popředí se dostává zachování nízkého přechodového odporu. Proto jsou často vyrobeny ze stříbrných nebo pozlacených základních materiálů. Další běžné povrchové úpravy jsou cín a chrom . Odnímatelné nepotažené zástrčkové a šroubové kontakty jsou vyrobeny např. z mědi, bronzu nebo mosazi .

Stabilní přechodový odpor je důležitou charakteristikou dobrého kontaktu. Změny přechodového odporu mohou mít různé příčiny. Jedním z nich je elektrické pronikání vysoce odolné koroze a vnějších vrstev, nazývané také fritování. Zkušební proud a maximální přípustný úbytek napětí slouží k eliminaci vlivu tření na konektorech . Jasným znakem fritování je zlom napětí a proudu, který indikuje skok v přechodovém odporu. Rozhodujícím faktorem pro změnu přechodového odporu vlivem fritování je dotykové napětí. Při obecných testech zásuvných spojů může použití příliš velkého zkušebního proudu a příliš vysokého napětí naprázdno vést k fritování. Proto zkušební norma pro konektory Norm IEC512 Teil 2 předepisuje maximální měřicí proud 100 mA a také maximální napětí naprázdno 20 mV.

Přepnout kontakty

Přepínací kontakty lze nalézt ve stykačích , relé , tlačítkách / spínačích [1] . Jsou to nejsložitější elektrické kontakty, protože si často musí zachovat své mechanické a elektrické vlastnosti po mnoho milionů provozních cyklů (spínacích cyklů):

aby se zabránilo oxidaci, je vyžadována odolnost proti korozi - jako materiál se používají ušlechtilé kovy nebo kontakt funguje ve vakuu , ochranném plynu nebo oleji
aby se zabránilo elektrické erozi, mají vysokou teplotu tání (wolfram) při vysokých výkonech.
pro dosažení nízkého přechodového odporu musí mít velmi dobrou elektrickou vodivost (měď, stříbro)
neměly by mít sklon ke sváření (např. stříbro s příměsí oxidu cínu , dříve oxid kademnatý ).

Všechny tyto vlastnosti nelze kombinovat v jediném přepínacím kontaktu, takže kontakty s vysokým výkonem jsou vyrobeny z jiných materiálů než kontakty s nízkým výkonem. Spínací kontakty se často skládají také z kombinací materiálů – například měděné nebo bronzové kontakty pokovené ušlechtilým kovem pro nízké výkony a porézní wolframové kontakty potažené stříbrem pro vyšší výkony.

Časté jsou také pozlacené stříbrné kontakty, které si při nízkém spínacím výkonu zachovávají svůj nízký přechodový odpor (zlatá vrstva) a jakmile jsou použity pro vysoký spínací výkon, ztrácejí zlatou vrstvu a obnažují pevný stříbrný kontakt. Přepínací kontakty v relé a malých spínačích jsou často navrženy pro použití jak pro účely signalizace, tak pro vysoké spínací výkony.

Přestože je stříbro vysoce vodivé, má pouze omezenou vhodnost pro malé spínací kapacity, protože tvoří vrstvy sulfidu stříbra .

Nejdůležitější vlastnosti přepínacího kontaktu, jak je specifikováno výrobcem, jsou:

spínací kapacita
maximální spínací napětí
tepelně snesitelný trvalý proud
maximální startovací proud a vypínací výkon při určité zátěži.

Spínací kontakty (klávesy, klávesnice) pro signály s vysokou impedancí se často skládají z dvojice elastomerových konektorů na jedné straně a zlatých na druhé straně. Jsou velmi spolehlivé a vykazují nízké kontaktní odrazy .

Changeover bounce je periodické zavírání a opětovné otevírání v okamžiku přepnutí. To vede ke zvýšenému spálení spínacích kontaktů nebo dokonce ke svaření („slepení“) kontaktů. Digitální obvody jsou někdy tak rychlé, že bez protiopatření bude vícenásobný kontakt po jednom stisknutí interpretován jako vícenásobný příkaz, v takových případech je nutné ladění .

Posuvné kontakty

Posuvné kontakty jsou navrženy tak, aby se dotýkaly pohyblivých částí. Příklady zahrnují komutátory , sběrače proudu , sběrací kroužky a snímače polohy, jako jsou potenciometry nebo enkodéry . Použité materiály jsou rozhraní měď/slitina mědi a grafit, jakož i rozhraní z ušlechtilých kovů .

Samočistící kontakty

Samočistící kontakt je druh kontaktu s akcí, při kterém se jeden z kontaktů tře o opačný, čímž se čistí nečistoty usazené v místě tření. Použití pružného kontaktního ramene má za následek, že při mírném ohnutí ramene se očištěná kontaktní plocha otírá o opačnou stranu. Tím se odstraní rez a nečistoty z povrchu elektrického kontaktu, čímž se zabrání elektrickému odporu způsobenému nahromaděnými nečistotami.

Rozdvojené kontakty

U rozdvojeného kontaktu je každé kontaktní rameno rozděleno na dvě menší ramena, z nichž každé má svůj vlastní kontakt. Pro tento obvod lze použít pouze jeden elektrický obvod. Jedná se o konstrukční prvek, který pomáhá zajistit stabilnější mechanický výkon, lepší elektrický kontakt a lepší odvod tepla.

Kontaktní formuláře

National Relay Manufacturers Association a její nástupce, Relay and Switch Manufacturers Association, definují 23 různých typů elektrických kontaktů používaných v relé a spínačích [2] . Z těchto forem kontaktu jsou nejběžnější tyto:

Kontaktní formulář A

Kontakty tvaru A jsou normálně otevřené kontakty. Kontakty jsou rozepnuté, když není napájení (magnet nebo solenoidové relé ). Pokud je přítomen, kontakt se uzavře. Označováno jako SPST-NO [2] .

Kontaktní formulář B

Normálně zavřené kontakty. Akce je logicky inverzní k činnosti kontaktů tvaru A. Označeno SPST-NC [2] .

Kontaktní formulář C

Kontakty tvaru C ("spínací" nebo "vysílací" kontakty) se skládají ze dvou párů kontaktů, normálně zavřených a normálně otevřených, které jsou ovládány stejným zařízením; mezi kontakty každého páru je společné elektrické spojení, což má za následek pouze tři typy svorek. Obvykle se označují jako normálně otevřené, vzájemné a normálně uzavřené (NO-C-NC). Určeno SPDT [2] .

Tyto kontakty jsou zcela běžné v elektrických spínačích a relé, protože společný kontaktní prvek poskytuje mechanicky ekonomický způsob, jak poskytnout více kontaktů [2] .

Kontakty formuláře D

Kontakty formy D (kontakty "nepřetržitého přenosu") se liší od kontaktů formy C pouze v jednom aspektu, pořadí přerušení během přechodu. Tam, kde forma C zajišťuje, že obě spojení jsou krátkodobě otevřená, forma D zajišťuje krátkodobé uzavření všech tří svorek.Toto je poměrně neobvyklá konfigurace [2] .

Kontakty formuláře K

Kontakty formy K (středové) se liší od formy C tím, že existuje střední nebo normálně otevřená poloha, kde není vytvořeno žádné spojení. Přepínače SPDT s centrální vypnutou polohou jsou běžné, ale relé s touto konfigurací jsou poměrně vzácná [2] .

Kontaktní formulář X

Kontakty formy X nebo dvojité kontakty jsou ekvivalentní dvěma kontaktům formy A v sérii, mechanicky propojené a ovládané jedním akčním členem a mohou být také popsány jako kontakty SPST-NO. Běžně se vyskytují ve stykačích a páčkových spínačích navržených pro manipulaci s vysoce výkonnými indukčními zátěžemi [2] .

Kontaktní formulář Y

Kontakty tvaru Y nebo dvojité vypínací kontakty jsou ekvivalentní dvěma kontaktům formy B v sérii, mechanicky propojené a ovládané jediným akčním členem a lze je také popsat jako kontakty SPST-NC [2] .

Kontakty formuláře Z

Kontakty typu Z nebo dvojité dvojité kontakty jsou podobné kontaktům typu C, ale téměř vždy mají čtyři externí připojení: dvě pro normálně otevřené a dvě pro normálně zavřené. Stejně jako u forem X a Y obsahují obě proudové cesty dva kontakty v sérii, mechanicky propojené a ovládané jedním akčním členem. Stejně jako forma C se označují SPDT [2] .

Materiály

Vysoké nároky jsou kladeny na povlak povrchu elektrických kontaktů [3] , zejména u elektrických relé s velkým počtem spínacích cyklů (duty cycles). Při napětích nad 50 voltů a vysokých proudech se tvoří oblouky. Mohou roztavit základní materiál a podpořit povrchovou oxidaci. Wolframové sloučeniny jsou odolné vůči vysokým teplotám, ale mají poměrně vysoký kontaktní odpor. Pozlacení dobře vede proud a chrání před korozí, ale rychle se opotřebovává.

Pro relé s nízkým výkonem (asi do 20 ampérů) je dobrým řešením slitina stříbra a niklu. Pro vysoké zatížení (100 A) je oxid kademnatý legovaný stříbrem ( AgCdO ) považován za optimální materiál pro zamezení pájení kontaktů . Na druhé straně směrnice RoHS vyžaduje , aby kadmium bylo postupně odstraněno, kdykoli je to možné . Dobrou alternativou je oxid cínu , rovněž legovaný stříbrem.

Základní požadavky na kontaktní materiál [3] :

odolnost proti korozi
vysoká elektrická a tepelná vodivost
nízká eroze
odolnost vůči tvorbě filmu s vysokou odolností
hodnoty vysokého napětí
vysoký bod tání (odolnost proti oblouku)
snadnost zpracování materiálu
nízké náklady.

Obecně mohou být kontakty vyrobeny ze široké škály materiálů. Typické materiály jsou [4] [5] :

slitiny stříbra [6]
zlato
kovy skupiny platiny
uhlík [7]
měď [8]
nikl
hliník
molybden
wolfram a jeho sloučeniny
cermet .

Klasifikace podle složení

polovodičové kontakty. V případě polovodičových spínačů je obtížné mluvit o kontaktech, protože polovodič jednoduše vede nebo nevede proud. I zde však při spínání nebo spínání dojde k rozptýlení určité energie v polovodiči. V otevřeném stavu má polovodič vždy malý únik proudu, který způsobuje ztrátu výkonu a tím i zahřívání. V sepnutém stavu vždy dochází k poklesu napětí na polovodiči, což také způsobuje zahřívání. K největšímu zahřívání dochází v obvodu, kde teče hodně proudu, pokud je polovodič již vysokonapěťový. Teplo je hlavním problémem polovodičových spínačů. Druhým bodem je, že při silné indukční zátěži generované napěťovými rázy se ztráta energie v polovodiči stává nepřijatelně velkou.
- polovodičové spínače. V závislosti na aplikaci jsou k dispozici s MOS, triakem nebo IGBT.
- tyristorové spínače. Tyristor se často používá v jednoduchých regulátorech výkonu. U tyristoru se úhel zážehu nastavuje vzhledem ke střídavému napětí tak, aby bylo regulováno průměrné napětí. Typ tyristoru je triak . Používá se ve stmívačích. Triak může procházet proud v obou směrech, tyristor - pouze v jednom směru.
- IGBT spínače. Ke spínání velmi vysokých proudů se nepoužívají tyristory, ale IGBT.
- MOS spínače
- tranzistorové kontakty. Používá se například v bezkontaktních spínačích. Existují verze NPN a PNP, takže je třeba je zapojit jinak.
Pevné kovové kontakty jsou nejčastěji používané kontakty, které najdeme v relé, stykačích, vačkových spínačích, mikrospínačích nebo jazýčkových spínačích .
Kontakty se rtutí jsou v současné době zakázány směrnicí RoHS. Ve starších instalacích byly někdy používány rtuťové kontakty kvůli jejich vysoké spínací kapacitě DC.

Teorie elektrických kontaktů

Velký přínos k teorii a aplikaci elektrických kontaktů přinesl Ragnar Holm , švédský fyzik a výzkumník v oblasti elektrotechniky [9] [10] .

Makroskopicky hladké a čisté povrchy jsou mikroskopicky drsné a znečištěné oxidy, adsorbovanou vodní párou a atmosférickými nečistotami, když jsou vystaveny vzduchu. Když se dva kovové elektrické kontakty dotknou, skutečná kontaktní plocha kov na kov je malá ve srovnání s celkovou kontaktní plochou mezi kontakty. V teorii elektrických kontaktů se relativně malá oblast, kde mezi dvěma kontakty protéká elektrický proud, nazývá a-bod, kde „a“ znamená „drsnost“ ( anglicky asperity ). Pokud je malý bod a považován za kruhovou oblast a měrný odpor kovu je stejnoměrný, pak proud a napětí v kovovém vodiči mají sférickou symetrii a jednoduchým výpočtem lze vztáhnout velikost bodu a k odporu. přechodu elektrického kontaktu. Pokud je mezi elektrickými kontakty kontakt kov na kov, pak je elektrický kontaktový odpor nebo ECR (na rozdíl od základního kovového odporu kontaktu) způsoben především tokem proudu velmi malou oblastí, tj. bod. U kontaktních bodů s poloměry menšími než je střední volná dráha elektronů dochází k balistické vodivosti elektronů, což vede k jevu známému také jako Sharvinův odpor [11] . Kontaktní síla nebo tlak zvětšuje velikost a-bodu, což snižuje odpor proti stlačení a odpor elektrického kontaktu [12] . Když se velikost kontaktních nepravidelností stane větší než střední volná dráha elektronů, stanou se kontakty Holmova typu dominantním transportním mechanismem, což má za následek relativně nízký kontaktní odpor [13] . $\lambda$

Obrana

Ochrana lidí

Kontakty, zejména spínače, nesmí představovat nebezpečí pro uživatele (např. úraz elektrickým proudem, mechanické poranění). Jedná se o třídu, která definuje úroveň elektrické ochrany.

Kontakty jsou také rozděleny do 2 kategorií:

" suché kontakty " - kontakt nemá galvanické spojení s napájecími obvody a "zem", to znamená, že kontakt je galvanicky oddělen od řídicího signálu .
„mokré kontakty“ [14] .

Jejich definice nevyjadřují míru vlhkosti, ale původ změny skupenství. Příklad: rtuťové relé s mokrým kontaktem.

Ochrana před vnějšími prvky

Kontakty, zejména spínače, splňují normu ochrany v závislosti na jejich použití (vlhké nebo prašné prostředí). Toto je třída ochrany (IP). Tato norma nedefinuje ochranu proti plynu. Pokud je však omezením přítomnost plynu, je IP68 zcela utěsněno [15] .

Údržba

V závislosti na volbě výrobce kontakty obsahují více či méně oxidovatelné materiály. Třída ochrany osob zvolená při návrhu zavazuje zaručit zachování této úrovně bezpečnosti po celou dobu životnosti kontaktu. Konstrukce a výroba musí být navrženy tak, aby minimalizovaly preventivní údržbu a zachovaly spínací a vodivé charakteristiky.

Nejjednodušší metodou je čištění styčných ploch drátěným kartáčem nebo brusným papírem. Zařízení se vypne a stírá, dokud oxid nezmizí.

Zkratky a schémata

Zkratka	Systém
SPST
SPDT
SPCO SPTT, spol
DPST
DPDT

DPCO
2P6T

Viz také

Literatura

Fedorov A. A., Popov Yu. P. Provoz elektrických zařízení průmyslových podniků. — M.: Energoatomizdat, 1986. — 280 s.
Wolfgang Schufft Taschenbuch der Elektrischen Energietechnik. München: Carl Hanser Verlag, 2007 ISBN 978-3-446-40475-5
Ney Contact Manual - Elektrické kontakty pro nízkoenergetické použití . - dotisk 1. — Deringer-Ney, původně JM Ney Co., 2014. (nedostupný odkaz) (Pozn. zdarma ke stažení po registraci.)
Elektrické kontakty : Principy a aplikace . - 2. - CRC Press , Taylor & Francis , 2014. - Vol. 105. - (Elektrotechnika a elektronika). - ISBN 978-1-43988130-9 .
Elektrické kontakty: Teorie a aplikace (anglicky) / Williamson, JBP. — dotisk 4. přepracovaného. - Springer Science & Business Media , 2013. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (Pozn. Přepis dřívější „ Příručky elektrických kontaktů “.)
Příručka elektrických kontaktů (neopr.) . — 3. úplně přepsáno. - Berlín / Göttingen / Heidelberg, Německo: Springer-Verlag , 1958. - ISBN 978-3-66223790-8 . [1] (Pozn. Přepis a překlad dřívějšího „ Die technische Physik der elektrischen Kontakte “ (1941) v německém jazyce, který je k dispozici jako dotisk pod ISBN 978-3-662-42222-9 .)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren (německy) / Vinařický, Eduard; Schröder, Karl-Heinz; Weiser, Josef; Keil, Albert; Merl, Wilhelm A.; Meyer, Carl Ludwig. - 3. - Berlín / Heidelberg / New York / Tokio: Springer-Verlag , 2016. - ISBN 978-3-642-45426-4 .

Poznámky

↑ Jak relé fungují | Schémata relé, definice relé a typy relé . www.galco.com. Datum přístupu: 13. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Oddíl 1.6, Engineers' Relay Handbook, 5. vydání, Relay and Switch Industry Association, Arlington, VA; 3. vydání, Národní asociace výrobců relé, Elkhart Ind., 1980; 2nd Ed. Hayden, New York, 1966; velké části 5. vydání jsou online zde Archivováno 5. července 2017. .
↑ 1 2 Elektrické spínací kontakty, pohyblivé a pevné (ruské) ? . rusvolt.su. Datum přístupu: 13. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ Materiály elektrických kontaktů . PEP Brainin (13. prosince 2013). Datum přístupu: 13. listopadu 2019.
↑ Elektrické kontakty a kontaktní sestavy | Společnost Deringer-Ney Inc.
↑ Stříbrné kontakty : Elektrické kontakty C.M.W. web.archive.org (6. září 2011). Datum přístupu: 13. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ Kontakty - Shin-Etsu Polymer Europe BV . www.shinetsu.info Datum přístupu: 13. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ Wayback Machine . web.archive.org (14. května 2012). Datum přístupu: 13. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ Konference IEEE HOLM . ieee-holm.org. Datum přístupu: 13. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ 416 (Vem är det: Svensk biografisk handbok / 1969) (švéd.) . runeberg.org. Datum přístupu: 13. listopadu 2019.
↑ Zhai, C. a kol. Interfaciální elektro-mechanické chování na drsných površích (anglicky) // Extreme Mechanics Letters: journal. - 2016. - Sv. 9 . - str. 422-429 . - doi : 10.1016/j.eml.2016.03.021 .
↑ Elektrické kontakty : Teorie a aplikace . — 4. — Springer, 1999. - ISBN 978-3540038757 .
↑ Zhai, C.; Hanaor, D.; Proust, G.; Gan, Y. Stress-Dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces (anglicky) // Journal of Engineering Mechanics : journal. - 2015. - Sv. 143 , č. 3 . — P. B4015001 . - doi : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
↑ IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Podrobnosti pro číslo IEV 714-18-10: "mokrý kontakt" . www.elektropedia.org Staženo: 14. listopadu 2019. (neurčitý)
↑ Polina Osokina. Co je IP68: žádná vlhkost a prach . Internetový magazín CHIP. Staženo: 14. listopadu 2019. (Ruština)