Analiza trenutnega stanja razvoja in ključnih tehnologij kontaktnih materialov relejev

V industrijski avtomatizaciji, krmiljenju moči, železniškem prometu, novi energiji in elektronski opremi ostajajo releji ena najbolj temeljnih in kritičnih električnih krmilnih komponent. Med njimi kontakt releja kot jedrna struktura, ki realizira "vklop" in "izklop" vezja, neposredno določa zanesljivost, življenjsko dobo in ustrezne pogoje delovanja releja z izbiro materiala.

 

Z vidika inženirske aplikacije je relejni kontakt v bistvu nadzorovan stikalni vmesnik. Med postopkom preklapljanja med normalno odprtim in normalno zaprtim stanjem mora kontakt vzdrževati ne le stabilno prevodnost, temveč mora vzdržati tudi električni oblok, visoke temperature in mehanske udarce v trenutku odklopa. Zato so bili kontaktni materiali vedno ena ključnih raziskovalnih usmeritev pri oblikovanju in izdelavi relejev.

 

 

Relejni kontakti so običajno sestavljeni iz gibljivih in mirujočih kontaktov, ki jih poganja elektromagnetni sistem za dokončanje vklopa in izklopa. Na delovanje kontakta vplivajo različni dejavniki, vključno s sestavo materiala, kontaktnim tlakom, obremenitvenim tokom, nivojem napetosti, frekvenco preklopa in delovnim okoljem. Ko kateri koli parameter preseže načrtovano območje, lahko povzroči težave, kot so kontaktna erozija, varjenje, povečan kontaktni upor ali celo okvara.

 

V trenutku, ko se kontakti odprejo, če obremenitveni tok ali napetost med kontakti preseže kritično vrednost, se zrak zlomi in nastane električni oblok. Visoka temperatura, ki jo ustvari oblok, hitro razjeda kontaktno površino in pospešuje obrabo materiala. Zato sta ustrezna izbira kontaktnih materialov in strog nadzor nazivne napetosti in toka kontaktov ključnega pomena za zagotavljanje dolgoročnega-stabilnega delovanja releja.

 

 

S strukturnega vidika relejne kontaktne oblike vključujejo predvsem točkovni kontakt, linijski kontakt in površinski kontakt. Med temi je točkovni kontakt najpogostejši v elektromagnetnih relejih. Ta struktura je ugodna za doseganje višjega kontaktnega tlaka v omejenem prostoru, s čimer se zmanjša kontaktni upor.

 

Pri načrtovanju kontaktnih struktur so pogoste tudi strukture listnatih vzmeti in elastične strukture. V nekaterih aplikacijah so na primer uvedeni električni kontakti z listnatimi vzmeti ali kontaktne strukture z zmožnostmi elastične kompenzacije, da se zmanjša vpliv odboja kontakta na stabilnost prevodnosti. Ta vrsta zasnove je še posebej pomembna pri visoko-frekvenčnem preklopu ali scenarijih nadzora majhnega signala.

 

 

Z vidika materialnega sistema so relejni kontakti trenutno večinoma razdeljeni v tri kategorije: čisti kovinski materiali, materiali iz kovinskih zlitin in kovinsko{0}}keramični kompozitni materiali (materiali praškaste metalurgije).

 

Pri nizkih-stroških in splošnih pogojih obremenitve se čisti baker ali-posrebreni baker še vedno pogosto uporablja. Ker pa scenariji uporabe zahtevajo daljšo življenjsko dobo in zanesljivost, eno-kovinski materiali ne zadoščajo za izpolnjevanje potreb zapletenih pogojev delovanja, zlitine in kompozitni materiali pa postopoma postajajo glavni pristop.

 

 

Med številnimi kontaktnimi materiali zavzemajo srebro in sistemi njegovih zlitin ključno mesto. Srebro ima izjemno visoko električno prevodnost in dobro toplotno prevodnost, zaradi česar je idealen osnovni material za izdelavo električnih srebrnih kontaktov. V praktičnih aplikacijah se čisto srebro običajno legira, da se poveča njegova odpornost proti varjenju in obrabi, s čimer se tvorijo različni električni kontakti iz srebrove zlitine.

 

Med temi sistemi srebro-nikelj, srebro-baker in AgNi pogosto uporabljajo v relejih srednje-obremenitve; ti materiali se pogosto imenujejo kontakti iz srebrove zlitine. Pri večjih obremenitvah ali pogostih preklapljanjih se uporabljajo sistemi srebrovega oksida, kot so kontakti iz srebrovega kadmijevega oksida ali električni kontakti iz srebrovega kadmijevega oksida, za povečanje odpornosti proti eroziji obloka. Tehnične opise srebrovega kadmijevega stika ali agcdo kontakta pogosto najdemo tudi v tradicionalni literaturi.

 

Poleg tega sistem AgNi ponuja prednosti pri ravnotežju med prijaznostjo do okolja in učinkovitostjo ter se v nekaterih standardih imenuje agni contact. Uporablja se predvsem v aplikacijah, ki zahtevajo stabilno prevodnost in zmerno odpornost obloka.

 

 

Pri aplikacijah, ki zahtevajo visok tok, visoko napetost ali visoko mehansko trdnost, ima zanašanje samo na zlitine-na osnovi srebra omejitve. V teh primerih se uporabljajo kompoziti volframa in srebra-volframa zaradi izjemno visokega tališča in odlične odpornosti na ablacijo. Te materiale običajno najdemo v močnostnih relejih, kontaktorjih in drugih napravah, vendar je njihova kontaktna odpornost razmeroma visoka, zaradi česar so na splošno neprimerni za šibka signalna vezja.

 

Strukturno so ti materiali pogosto kombinirani s substratom v obliki električnih kontaktnih kovic, pritrjenih na kontaktni nosilec s kovičenjem ali varjenjem, da se uravnoteži mehanska trdnost in prevodnost.

 

 

Pri majhnih signalnih krmilnih tokokrogih, zlasti pri aplikacijah z nizko-napetostjo in nizkim{1}}tokom, stanje kontaktne površine pomembno vpliva na celovitost signala. Pri teh aplikacijah se pozlačenje običajno nanese na podlage iz bakra ali bakrovih zlitin, da se zmanjša kontaktna odpornost in prepreči oksidacija.

 

Te zasnove so pogosto kombinirane z elastičnimi strukturami, da tvorijo delovni način, podoben vzmetnim električnim kontaktom ali električnim vzmetnim kontaktom, s čimer se zagotovi-dolgoročen stabilen prenos signala.

 

V nekaterih visoko{0}}zanesljivih sistemih so uvedene tudi vzmetne-električne kontaktne strukture, da izravnajo poslabšanje delovanja, ki ga povzroča obraba kontaktov zaradi neprekinjenega elastičnega pritiska.

 

 

S hitrim razvojem nove energije, električnih vozil, pametnih omrežij in industrijske avtomatizacije se pogoji delovanja relejev usmerjajo k višjim tokovom, višjim preklopnim frekvencam in strožjim okoljskim zahtevam. Ta trend spodbuja nenehen razvoj kontaktnih materialov od tradicionalnih posameznih kovin do visoko{1}}zlitin in kompozitov.

 

Hkrati strožji okoljski predpisi spodbujajo industrijo k postopnemu zmanjševanju uporabe materialov,-ki vsebujejo kadmij, kar spodbuja razvoj novih sistemov zlitin na osnovi srebra-. V tem ozadju bodo različne vrste električnih kontaktov še naprej izkazovale različne razvojne poti, ki temeljijo na scenarijih uporabe.

 

 

Čeprav so relejski kontakti majhni, igrajo izjemno kritično vlogo v celotnem električnem krmilnem sistemu. Izbira kontaktnih materialov ne vpliva le na prevodnost, ampak tudi neposredno vpliva na življenjsko dobo releja, varnost in zanesljivost sistema. V prihodnosti, ko se zahteve aplikacij še naprej nadgrajujejo,relejni kontaktmateriali bodo ostali pomembno področje fokusa in tehnoloških inovacij na področju elektrotehnike.