4.2: Дизайн контактів перемикача

Вимикач може бути сконструйований з будь-яким механізмом, що приводить два провідники в контакт один з одним контрольованим способом. Це може бути так само просто, як дозволити двом мідним дротам торкатися один одного рухом важеля або шляхом прямого натискання двох металевих смужок в контакт. Однак хороша конструкція вимикача повинна бути міцною та надійною, а також уникати пред'явлення оператору можливості ураження електричним струмом. Тому промислові конструкції комутаторів рідко бувають такими сирими.

Провідні частини в вимикачі, що використовуються для створення і розриву електричного з'єднання, називаються контактами. Контакти зазвичай виготовляються зі срібла або сріблясто-кадмієвого сплаву, провідні властивості якого не суттєво порушені поверхневою корозією або окисленням. Золоті контакти демонструють кращу корозійну стійкість, але обмежені в струмопровідної здатності і можуть «холодного зварювання», якщо їх об'єднувати з високою механічною силою. Яким би не був вибір металу, контакти вимикача керуються механізмом, що забезпечує квадратний і рівний контакт, для максимальної надійності і мінімального опору.

Такі контакти можуть бути побудовані для обробки надзвичайно великої кількості електричного струму, в деяких випадках до тисяч ампер. Граничні фактори для амперативності контактів вимикача такі:

• Тепло, що виділяється струмом через металеві контакти (при цьому замкнуті).
• Іскріння викликається при розмиканні або замиканні контактів.
• Напруга на розімкнутих контактах вимикача (потенціал стрибка струму через зазор).

Одним з основних недоліків стандартних контактів вимикача є вплив контактів на навколишню атмосферу. У приємному, чистому, контрольному приміщенні це, як правило, не проблема. Однак більшість промислових середовищ не є такими доброякісними. Наявність в повітрі агресивних хімічних речовин може призвести до погіршення контактів і передчасного виходу з ладу. Ще більш клопіткою є можливість регулярного контактного іскріння, що спричиняє займисті або вибухонебезпечні хімічні речовини.

Коли такі екологічні проблеми існують, для невеликих вимикачів можна розглянути інші типи контактів. Ці інші типи контактів герметичні від контакту з зовнішнім повітрям, а тому не страждають тими ж проблемами впливу, що і стандартні контакти.

Поширеним типом герметично-контактного вимикача є ртутний вимикач. Ртуть - металевий елемент, рідина кімнатної температури. Будучи металом, він володіє відмінними провідними властивостями. Будучи рідиною, вона може бути введена в контакт з металевими щупами (щоб замкнути контур) всередині герметичної камери, просто нахиливши камеру так, щоб щупи були на дні. Багато промислових вимикачів використовують невеликі скляні трубки, що містять ртуть, які нахиляються в одну сторону, щоб закрити контакт, а нахилені іншим способом, щоб відкрити. Окрім проблем поломки трубки та розливу ртуті (яка є токсичним матеріалом) та сприйнятливості до вібрації, ці пристрої є чудовою альтернативою контактам вимикачів відкритого повітря, де проблеми з впливом навколишнього середовища викликають занепокоєння.

Тут ртутний вимикач (часто його називають перемикачем нахилу) показаний у відкритому положенні, де ртуть знаходиться поза контактом з двома металевими контактами на іншому кінці скляної колби:

Тут же перемикач показаний в закритому положенні. Гравітація тепер утримує рідку ртуть в контакті з двома металевими контактами, забезпечуючи електричну безперервність від одного до іншого:

Контакти ртутного вимикача недоцільно будувати в великих розмірах, і тому ви зазвичай знайдете такі контакти, розраховані на не більше декількох ампер, і не більше 120 вольт. Винятки, звичайно, є, але це загальні межі.

Ще одним герметично-контактним типом вимикача є магнітний геркон. Як і ртутний вимикач, контакти геркона розташовані всередині герметичної трубки. На відміну від ртутного вимикача, який використовує рідкий метал як контактне середовище, геркон - це просто пара дуже тонких, магнітних металевих смуг (звідси і назва «очерет»), які контактують один з одним, застосовуючи сильне магнітне поле поза герметичною трубкою. Джерелом магнітного поля в цьому типі вимикачів зазвичай є постійний магніт, переміщений ближче до або далі від трубки виконавчим механізмом. Через невеликий розмір очерету цей тип контакту зазвичай розрахований на менші струми і напруги, ніж середній ртутний вимикач. Однак геркони зазвичай справляються з вібрацією краще, ніж ртутні контакти, оскільки всередині трубки немає рідини, щоб бризкати навколо.

Загальноприйнято вважати, що напруга контакту та струм перемикача загального призначення більші на будь-якому заданому комутаторі або реле, якщо електроенергія, що перемикається, є змінним струмом замість постійного струму. Причиною цього є схильність до самозагасання дуги змінного струму через повітряний зазор. Оскільки струм лінії електропередачі 60 Гц фактично зупиняється і змінює напрямок 120 разів на секунду, існує багато можливостей для іонізованого повітря дуги втратити достатню температуру, щоб зупинити проведення струму, до того моменту, коли дуга не буде знову запускатися на наступний пік напруги. DC, з іншого боку, є безперервним, безперервним потоком електронів, який має тенденцію підтримувати дугу через повітряний проміжок набагато краще. Тому контакти вимикача будь-якого виду зазнають більшого зносу при перемиканні заданого значення постійного струму, ніж при тому ж значенні змінного струму. Проблема перемикання постійного струму перебільшена, коли навантаження має значну кількість індуктивності, оскільки на контактах вимикача при розмиканні ланцюга будуть утворюватися дуже високі напруги (індуктор робить все можливе, щоб підтримувати струм ланцюга на тій же величині, що і коли вимикач був замкнутий).

Як при змінному, так і при постійному струмі контактну дугу можна звести до мінімуму за допомогою додавання паралельно контакту ланцюга «снуббера» (конденсатор і резистор, з'єднані послідовно), ось так:

Раптове підвищення напруги на контакті перемикача, спричинене розмиканням контакту, буде загартоване зарядною дією конденсатора (конденсатор, що виступає проти збільшення напруги шляхом витягування струму). Резистор обмежує кількість струму, який конденсатор буде розряджати через контакт при повторному замиканні. Якби резистора не було, конденсатор може насправді зробити дугу під час замикання контакту гірше, ніж дуга під час розмикання контакту без конденсатора! Хоча це доповнення до схеми допомагає пом'якшити контактну дугу, це не позбавлене недоліків: першочерговим міркуванням є можливість виходу з ладу (закороченого) комбінації конденсатора/резистора, що забезпечує шлях для електронів, щоб протікати по ланцюгу в будь-який час, навіть коли контакт розімкнутий, а струм не бажаний. Ризик цієї несправності, а також тяжкість наслідків, що виникають, необхідно враховувати на тлі підвищеного зносу контактів (і неминучого виходу з ладу контакту) без ланцюга амортизатора.

Використання амортизаторів в ланцюгах вимикачів постійного струму не є новим: виробники автомобілів роками роблять це на системах запалювання двигуна, мінімізуючи дугу через контактні «точки» перемикача в розподільнику з невеликим конденсатором, званим конденсатором. Як вам може сказати будь-який механік, термін служби «точок» розподільника безпосередньо пов'язаний з тим, наскільки добре функціонує конденсатор.

З усією цією дискусією щодо зменшення дуги контакту перемикача, можна змусити думати, що менший струм завжди краще для механічного вимикача. Це, однак, не обов'язково так. Було встановлено, що невелика кількість періодичних дуг насправді може бути корисним для контактів вимикача, оскільки він утримує контактні поверхні вільними від невеликої кількості бруду та корозії. Якщо контакт механічного вимикача експлуатується занадто малим струмом, контакти будуть мати тенденцію накопичувати надмірний опір і можуть вийти з ладу передчасно! Це мінімальна кількість електричного струму, необхідне для підтримки механічного контакту вимикача в хорошому стані, називається струмом змочування.

Як правило, номінальний струм змочування перемикача набагато нижче його максимального номінального струму і значно нижче його нормального робочого струму навантаження в правильно спроектованій системі. Однак існують програми, де контакт механічного вимикача може знадобитися для регулярної обробки струмів нижче нормальних меж струму змочування (наприклад, якщо механічний перемикач повинен відкрити або закрити цифрову логічну або аналогову електронну схему, де значення струму надзвичайно мало). У цих додатках настійно рекомендується вказувати позолочені контакти перемикача. Золото - «благородний» метал і не піддається корозії, як будуть інші метали. Такі контакти мають вкрай низькі вимоги до струму змочування в результаті. Звичайні контакти зі срібла або мідного сплаву не забезпечать надійної роботи, якщо їх використовувати в такому слабкострумовому сервісі!

Рецензія

• Частини вимикача, що відповідають за створення і порушення електричної безперервності, називаються «контактами». Зазвичай виготовлені з корозійно-стійкого металевого сплаву, контакти виготовляються на дотик один до одного механізмом, який допомагає підтримувати правильне вирівнювання та відстань.
• Ртутні вимикачі використовують шлак рідкого ртутного металу в якості рухомого контакту. Запечатана в скляній трубці іскра ртутного контакту герметична із зовнішнього середовища, що робить цей тип вимикача ідеально підходить для атмосфер, потенційно вкривають вибухонебезпечні пари.
• Геркони - ще один вид герметично-контактного пристрою, контакт якого здійснюється двома тонкими металевими «очеретами» всередині скляної трубки, зведеної між собою під впливом зовнішнього магнітного поля.
• Контакти перемикача зазнають більшого примусу перемикання постійного струму, ніж змінного струму. Це пов'язано в першу чергу з самозагасаючим характером дуги змінного струму.
• Мережа резистор-конденсатор, яка називається «снуббер», може бути підключена паралельно контакту перемикача для зменшення дуги контакту.
• Змочуючий струм - це мінімальна кількість електричного струму, необхідне для перенесення контакту вимикача для того, щоб він був самоочищатися. Зазвичай це значення набагато нижче максимального номінального струму перемикача.