Переходное сопротивление контакта

Два проводника одинаковой длины и сечения (рис.17), но у второго имеется контакт с усилием нажатия F. Если измерить сопротивления этих проводников, то получим R2 > R1.

В зоне перехода тока из одного проводника в другой имеет место переходное сопротивление контакта, которое равно

R_П=R₂–R₁.

Переходное сопротивление состоит из двух составляющих: R_С – сопротивления, обусловленного явлением стягивания тока и R_ПЛ – сопротивлением окисных плёнок на поверхности контакта

R_П=R_С+R_ПЛ.

Физическая картина контактирования, поясняющая явление стягивания тока приведена на рис. 18, где показаны трубки тока, которые стягиваются к площадкам контактирования. Это приводит к уменьшению сечения и увеличению сопротивления.

Размеры одной площадки контактирования q зависят от силы F, сжимающей детали и от свойств материала, которые характеризуются его временным сопротивлением смятию σ.

                   (47)

С увеличением F величина q увеличивается, но до некоторого предела.

Величина переходного сопротивления находится по эмпирическим формулам, например

                                        (48)

где F – сила контактного нажатия, k – коэффициент, зависящий от материала деталей, состояния поверхности и формы контакта, n – показатель степени, зависит от числа точек контактирования.

Величина переходного сопротивления зависит от ряда факторов:

а) от силы нажатия F, график зависимости в соответствии с (48) показан на рис. 19, где отмечено оптимальное значение силы F_ОПТ, так как при F > F_ОПТ величина переходного сопротивления практически не уменьшается.

б) от температуры, эта зависимость определяется по формуле

                              (49)

где R_П0 – переходное сопротивление в холодном состоянии контактов, α – температурный коэффициент сопротивления контакт–детали, τ – превышение температуры площадок контактирования.

График зависимости в соответствии с (49) показан на рис. 20, где также показана зависимость для серебряных контактов. У серебра при τ=250 ⁰С переходное сопротивление резко уменьшается, а затем снова возрастает, это свойство используется в технике при повышенных температурах.

в) от состояния контактной поверхности, шлифовка контактов увеличивает R_П по сравнению с грубой обработкой поверхности напильником. При грубой обработке силовых контактов образуется большое количество площадок контактирования.

г) от свойств материала контактов.

Температура площадки контактирования

При прохождению тока в площадке контактирования выделяется энергия , которая больше энергии  в материале проводника. Поэтому и температура в зоне площадки будет выше средней температуры всей поверхности контакт–детали.

Это превышение определяется по формуле

                                           (50)

где ρ – удельное сопротивление материала контакта, λ – коэффициент теплопроводности материала контакта.

Если известно падение напряжения в переходном сопротивлении контакта U_ПЕР, то, учитывая, что

                                        (51)

где а – диаметр площадки, получим формулу

                                          (52)

Материалы контактов

Требования к материалам контактов

1 Высокая электрическая проводимость и теплопроводность.

2 Высокая коррозийная стойкость.

3 Устойчивость к образованию пленок с высоким электрическим сопротивлением.

4 Малая твердость для уменьшения силы нажатия.

5 Высокая твердость для уменьшения механического износа.

6 Малая эрозия и высокая дугостойкость, высокая температура плавления.

7 Простота обработки, низкая стоимость.

8 Высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования.

Эти требования противоречивы, нет материала, удовлетворяющего всем требованиям.

Материалы контактов

Медь – самый распространенный материал. Основной недостаток – низкая коррозийная стойкость. Окислы меди имеют низкую проводимость. Контактное нажатие должно быть > 3,0 Н. Для продолжительного режима в коммутирующих контактах применять медь не рекомендуется. В разборных контактах применяют антикоррозийные покрытия.

Серебро – очень распространенный контактный материал. Имеет один недостаток – низкая дугостойкость. Окислы серебра также имеют высокую проводимость.

Алюминий – может применяться только для разборных соединений и то зачастую с серебренными или омедненными рабочими поверхностями. Недостаток алюминия его текучесть – контакты периодически необходимо подтягивать.

Платина, золото, молибден – применяют для коммутирующих контактов реле на малые токи с малым нажатием, а также в двухступенчатых контактах на очень большие токи (главные контакты)

Вольфрам и сплавы (вольфрам – молибден, иридий) – применяют на малые токи с большой частотой размыкания и в дугогасительных контактах как дугостойкий материал.

Металлокерамика – соединение металла (вольфрам, молибден) и керамики, изготовленное методом спекания. Дугостойкий материал, применяется для дугогасительных контактов.

Жидкометаллические контакты на основе ртути и щелочных металлов обладают низким переходным сопротивлением, нет дребезга, нет необходимости в контактном нажатии, не свариваются при токах короткого замыкания. Недостатками являются: высокая температура плавления (замерзают), необходимость герметизации контактов из–за их токсичности.