2.2. Коммутационные устройства

Для характеристики КУ используются следующие параметры [37, 38].

Чувствительность — минимальная величина входного параметра, при котором происходит скачкообразное изменение выходного параметра (замыкание или размыкание контактов, у бесконтактных — изменение проводимости). В зависимости от вида входной величины, на которую реагируют КУ, чувствительность может оцениваться величиной тока, напряжения, мощности, механической силы, светового потока, магнитного поля и т.д.

Время срабатывания — характеризует быстродействие устройства. Оно отсчитывается с момента подачи сигнала на вход до появления сигнала на выходе. Время, отсчитываемое с момента прекращения действия управляющего сигнала до появления соответствующего сигнала (скачкообразного изменения) на выходе, является временем отпускания.

Максимальное значение коммутируемой мощности — произведение максимально допустимых значений напряжения и тока при данном напряжении. Если исполнительная система КУ коммутирует несколько цепей, то вводят понятие суммарной коммутируемой мощности.

Частота срабатываний (коммутаций) — число срабатываний КУ в единицу времени.

Коэффициент усиления (называемый иногда коэффициентом управления) определяется отношением мощности на выходе к мощности управления.

Входное сопротивление — определяет возможность согласования устройства с источником сигналов управления и чаще всего приводится в виде активного (например, для сопротивления обмотки электромагнитных реле) или комплексного сопротивления.

Электроизоляционные свойства КУ характеризуются сопротивлением и электрической прочностью изоляции между токоведущими цепями, а также корпусом.

Сопротивление коммутирующих элементов зависит от принципа коммутации и вида используемых элементов. Для контактных КУ — это активное сопротивление замкнутых контактов, для полупроводниковых —внутреннее сопротивление прибора в открытом состоянии, для магнитных — индуктивное сопротивление переменному току и т.д.

При работе электрического контакта происходят весьма сложные физические процессы, которые имеют различия при их замыкании и размыкании [37].

Режим замыкания. При уменьшении расстояний между контактами до 10 мкм наблюдается процесс газоразряда, причем напряжение зажигания газа между контактами определяется по закону Пашена. При меньших расстояниях этот закон нарушается. Указанная граница соответствует нескольким длинам свободного пробега молекул в воздухе при нормальном давлении. Поэтому электроны могут пересекать контактный зазор без столкновения с молекулами газа.

Напряженность электрического поля при замыкании контактов возрастает по закону E=U/d, где Е — напряженность электрического поля; U — коммутируемое напряжение; d — расстояние между контактами. При напряженности поля около 3-108 В/м возникает автоэлектронная эмиссия электронов с поверхности катодного контакта, которая образует короткую дугу. Эта дуга является бесплазменной и характеризуется независимостью напряжения горения от величины протекающего то ка. При наличии пленок на контактах короткая дуга возникает при меньшей напряженности электрического поля.

Короткая дуга разогревает анодный контакт и вызывает перенос материала на катодный контакт. Непосредственно перед соприкосновением контактов образуется жидкий контактный перешеек и напряжение в течение -10 нс скачком падает до долей вольта. При дальнейшем сближении контактов площадь соприкосновения возрастает, переходное сопротивление контактов падает и, следовательно, падает также и температура. Контактный перешеек застывает, однако легко разрывается при нормальных нагрузках в процессе размыкания контактов.

Режим размыкания. В процессе размыкания контактное нажатие уменьшается, поверхность соприкосновения микрошероховатостей становится меньше, плотность тока и переходное сопротивление повышаются. В течение достаточно короткого времени напряжение на контактах увеличивается от нескольких милливольт до 0,5... 15 В. Во время этой части процесса размыкания места соприкосновения металлических контактов плавятся, затем они разрываются при достижении температуры кипения металла контактов. В этот момент напряжение на контактах скачкообразно (в течение примерно 10 нс) повышается до напряжения горения короткой дуги, причем время ее горения значительно больше, чем при замыкании. Поэтому в режиме размыкания контакты разрушаются больше, чем при замыкании.

При работе электрических контактов на силовые нагрузки, характерные для электротехнической аппаратуры, короткая дуга может перейти в обычную, плазменную дугу. В этом случае изменяется направление переноса материала контактов (с катода на анод), а при разрыве жидких контактных перешейков и при короткой дуге перенос происходит с анода на катод.