Шумовые характеристики контактов и их защита

В любом случае, когда контакты замыкают или размыкают цепь, в которой проходит ток, между ними может развиться пробой. Это возможно, когда контакты находятся в непосредственной близости друг к другу, но не сомкнуты. При замыкании контактов пробой длится до тех пор, пока контакты не сомкнутся. При размыкании контактов пробой существует до тех пор, пока не создадутся условия, при которых он уже не может поддерживаться.

При пробое наблюдается некоторое физическое разрушение контактов, уменьшающее их долговечность. Кроме того, пробой вызывает также высокочастотное излучение и всплески тока и напряжения в проводах. Эти всплески могут быть источником помех, воздействующих на работу других схем.

Методы, применяемые для уменьшения разрушения контактов, аналогичны тем, которые используются для устранения помех излучения и наведенных помех. Все рассматриваемые здесь цепи защиты контактов очень сильно уменьшают величину шумов, генерируемых контактами и нагрузкой, а также продлевают срок жизни контактов.

При переключении контактов важными являются два типа пробоя: газовый, или тлеющий, и дуговой разряды.

Тлеющий разряд

Когда газ ионизируется под действием электрического поля между контактами, здесь может возникнуть самоподдерживающийся тлеющий разряд. Напряжение, необходимое для возникновения тлеющего разряда, зависит от расстояния между контактами, вида газа и его давления. На рис.1 показана зависимость требуемого для возбуждения тлеющего разряда напряжения пробоя U _пот расстояния, разделяющего контакты, если газ – воздух при нормальных температуре и давлении.

После возникновения разряда для удержания газа в ионизированном состоянии достаточно некоторого меньшего напряжения U _у, чем напряжение пробоя. В воздухе U _у равно ~300 В.

Как можно видеть из рис.1, это поддерживающее разряд напряжение почти не зависит от расстояния между контактами. Ток, необходимый для поддержания разряда, также мал (его типичное значение – несколько миллиампер).

Чтобы избежать тлеющего разряда, напряжение между контактами не должно превышать 300 В. Если это условие выполняется то остается только одна причина, которая может вызвать разрушение контактов, – дуговой разряд.

Дуговой разряд

Дуговой разряд может наблюдаться при напряжениях и расстояниях между контактами, намного меньших, чем те, которые требуются для тлеющего разряда. Он может возникать даже в вакууме, так как наличие газа, здесь не обязательно. Начинается дуговой разряд с вырывания электронов электрическим полем Е (автоэлектронная или холодная эмиссия), для чего требуется градиент потенциала () порядка 50 В/мкм.

Дуга образуется всякий раз при замыкании и размыкании контактов, пропускающих ток и не имеющих защиты, так как при малом промежутке между контактами градиент потенциала обычно превышает требуемое значение. При формировании дуги электроны испускаются малой областью катода – той, где напряженность электрического поля наибольшая.

На микроскопическом уровне все поверхности являются неровными, и наиболее выступающая и острая точка катода, обладающая самым большим градиентом потенциала, становится источником электронов, вырываемых из катода полем. Это показано на рис.2.

Поток электронов по мере прохождения зазора расходится и бомбардирует анод. Локализованный ток имеет очень высокую плотность и нагревает материал контакта (вследствие потерь I ² R)до нескольких тысяч градусов. Этого может быть достаточно для испарения материала контакта. Испарение металла может начаться как с анода, так и с катода, в зависимости от скорости выделения тепла на этих двух контактах и скорости его отвода. Это в свою очередь зависит от размеров, материала контактов и расстояния между ними.

Появление расплавленного металла означает переход от холодной эмиссии электронов к термоэлектронной эмиссии – к дуге, испаряющей металл. Этот переход обычно длится не более 1 нс. Расплавленный металл, однажды возникнув, формирует проводящий «мостик» между контактами, поддерживая тем самым дугу даже при уменьшении градиента потенциала поля по сравнению с тем значением, которое необходимо для начального формирования дуги. Этот мостик состоит из паров металла и проводит ток, величина которого ограничена напряжением питания и сопротивлением дуги.

После того как дуга возникла, она продолжает существовать до тех пор, пока внешняя цепь обеспечивает напряжение, достаточное для совершения работы выхода электронам, и ток, достаточный для испарения материала анода или катода. По мере расхождения контактов «мостик» из расплавленного металла вытягивается и, в конце концов, разрывается. Минимальные напряжения и ток, необходимые для поддержания дуги, называются минимальными дуговыми напряжением U _д.мин и током I _д.мин. В таблице приведены типичные значения минимальных дуговых напряжения и тока для различных материалов. Если напряжение или ток упадут ниже этих значений, дуга погаснет.

Для дуговых разрядов между разнородными материалами U _д.мин определяется материалом катода (отрицательного контакта), а за I _д.мин принимается дуговой ток материала того контакта (анода или катода), у которого он меньше.

Следует, однако, отметить, что минимальные дуговые токи, приведенные в таблице, указаны для чистых неповрежденных контактов. Когда после нескольких переключений дуга повредит поверхность контактов, минимальный дуговой ток может уменьшиться более чем в 10 раз относительно значения, указанного в таблице.

Таким образом, дуговой разряд зависит от материала контактов и характеризуется относительно низким напряжением и большим током. В противоположность ему тлеющий разряд зависит от газовой среды между контактами (обычно это воздух) и характеризуется относительно высоким напряжением и слабым током. Ниже будет показано, что предотвратить образование дугового разряда трудно, так как для его возникновения требуется очень небольшое напряжение. Однако если дуга сформировалась, следует воспрепятствовать ее самоподдержанию, ограничивая максимальный ток на уровне ниже минимального дугового тока.