Особенности работы СЭМР в различных режимах

СЭМР обеспечивают разнообразные режимы коммутации: длительную циклическую работу, единичные включения с длительными паузами, длительное замкнутое состояние контактов с кратковременными перерывами и т.п. Контакты одного и того же реле могут коммутировать или пропускать ток от единиц микроампер до десятков ампер при напряжениях между разомкнутыми контактами от единиц милливольт до десятков и сотен вольт. В большинстве практических случаев слаботочные цепи являются высокоомными, и поэтому они мало критичны даже к значительной величине R _k. При коммутации сильноточных более низкоомных цепей требуется малое значение падения напряжения на контактах.
По характеру влияния на состояние рабочих поверхностей контактов коммутируемые нагрузки и режимы коммутации подразделяются на несколько видов:

1. Коммутация «сухих цепей» подразумевает случаи, когда контакты не коммутируют никаких токов (напряжений). Ток через контакт может проходить только до его размыкания или только после замыкания.
2. Коммутация низких уровней нагрузок обычно рассматривается в диапазоне токов от нескольких микроампер до десяти миллиампер при напряжении от десятков милливольт до нескольких вольт.
3. Промежуточные нагрузки характеризуют коммутацию, когда на контактах токи ниже минимальных, необходимых для создания условия появления дуговых разрядов. Типичные параметры этого режима коммутации: от 10–100 мА\6 В до 100 мА при 26–36 В постоянного напряжения.
   При коммутации промежуточных нагрузок между контактами, как правило, возникает тлеющий разряд, неустойчивые искра и короткая дуга, которые в присутствии достаточного количества органики ее карбонизируют. В то же время мощности этих разрядов еще не достаточно для разрушения высокоомных углеводородных слоев, что может привести к заметному увеличению сопротивления контактов после нескольких тысяч срабатываний.
4. Тяжелые или номинальные нагрузки всегда способствуют образованию между контактами дуговых разрядов, ускоряющих износ контактов, но не увеличивающих переходное сопротивление Rk в течение всего срока службы. Это объясняется тем, что даже при большом количестве углеводородного вещества на поверхности контактов в истинной точке контактирования этого вещества практически нет. Энергии дуговых разрядов при коммутации номинальных нагрузок хватает не только для карбонизации органики, но и для ее разрушения и деполимеризации. Таким образом, дуга, способствующая загрязнению контактов, выполняет и очищение области их контактирования.

Коммутация низких уровней тока и напряжения
Загрязнение контактов органическими полимерами, приводящее к повышенному и нестабильному переходному сопротивлению контактов R _k, является основной особенностью коммутации низкоуровневых нагрузок. Для повышения надежности коммутации рекомендуется применять контакты, покрытые твердым золотом. В процессе входного контроля и эксплуатации такими контактами не следует даже однократно коммутировать нагрузки более 100 мА\6 В, так как между контактами возможен искровой пробой, разрушающий золотое покрытие и карбонизирующий органику с образованием углеродистого налета, повышающего переходное сопротивление Rk. Для контроля золоченых контактов не следует использовать цепи с сигнальными лампочками, а контроль величины R _k следует производить только с помощью микроамперметра.
Входной контроль контактов, предназначенных для работы в «сухих цепях», следует проводить в режиме 5-20 мкА\10-50 мВ, а коммутирующих низкоуровневые цепи, – в режиме 5-10 мА\30-50 мВ.
Применяя реле, не следует смешивать коммутацию сухих цепей и низкоуровневых нагрузок с коммутацией промежуточных и тяжелых нагрузок для одной контактной группы или для соседних близко расположенных контактных групп сверхминиатюрных реле. Также нельзя коммутировать одной контактной группой низкоуровневые нагрузки после коммутации промежуточных и тяжелых нагрузок.
Коммутация очень малых напряжений постоянного тока ограничивается влиянием термо-ЭДС, достигающей величины 10–500 мкВ и возникающей в цепи контактов вследствие использования разнородных металлов.
Пара контактов из разнородных металлов в негерметичном реле, работающем в условиях влажности, образует электрохимический гальванический элемент, генерирующий, например, для пары серебро–золото напряжение около 150 мВ.

Коммутация жестких нагрузок и электроэрозионный износ
В нормальном состоянии газовый промежуток между контактами является хорошим электрическим изолятором. Однако, приложив к контактам до­статочно сильное электрическое поле, можно вызвать пробой изолятора, т.е. нарушить его изолирующие свойства, благодаря чему между контактами возникнет электронно-ионный ток, называемый электрическим разрядом.
После пробоя межконтактного зазора, содержащего газ при давлении значительно меньшем атмосферного, может возникнуть устойчивый газовый разряд, развивающийся по классическому пути: таусендовский (ток разряда до 10 мкА), тлеющий (от 1 мА до 0,1–1,0 А) и дуговой.
При атмосферном давлении газа обычно говорят об искровом пробое, сопровождаемом неустойчивым искровым разрядом. В этом случае дуга мо­жет быть получена под действием напряжения, способного вы­звать пробой межконтактного промежутка и поддерживать ток при зна­чении, достаточном для горения дуги. Все промежуточ­ные стадии перед дуговым разрядом являются неустой­чивыми, и, если напряжение недостаточно для поддержания тока дуги, разряд гаснет или становится прерывистым.

Пробой межконтактного промежутка с последующим протеканием через него разрядного тока представляет практический интерес для разомкнутого состояния контактов, когда на них может быть подано паразитное высоковольтное напряжение, превышающее некоторое минимальное значение – потенциал зажигания.
Для воздуха при нормальном давлении потенциал зажигания составляет около 330 В при расстоянии между контактами около 7,5 мкм. Меньшие и большие зазоры пробиваются при большем напряжении за исключением зазоров очень маленькой величины, для которых напряжение пробоя определяется по законам разряда в вакууме. Например, для зазоров 1,0 и 0,1 мкм пробой наступает при напряжении 100 и 10 В соответственно. При понижении давления воздуха Р (понижении концентрации молекул) пробой при том же напряжении будет происходить на большем зазоре d, определяемом по формуле Pd=5,67 мм рт.ст. * мм.. Для типичного зазора миниатюрных СЭМР 0,05 мм пробой при напряжении около 330 В согласно формуле наступит при давлении воздуха около 110 мм рт.ст., что хорошо согласуется с экспериментальными данными. При увеличении или уменьшении этого давления пробивное напряжение в соответствии с законом Пашена возрастает, составляя около 700 В при 760 мм рт.ст. и 500 В при 1 мм рт.ст.

Слаботочный искровой разряд, возникающий после пробоя межконтактного зазора, характеризуется малой длительностью (0,01–100 мкс), высокой плотностью тока (10⁶ – 10⁹ А/см²) и очень высокой температурой в канале разряда (до 100 000° С). При таких параметрах разрядного канала у его концов возникает локальный перегрев поверхности контактов, приводящий к микровзрывам с образованием факелов из паров материала контактов, которые также производят разрушение поверхностей контактов. При малых расстояниях между контактами разрушается контакт-анод, а при больших – контакт-катод. При малом значении тока из-за большого сопротивления внешней цепи искровая ла­вина, как правило, не образуется. При пониженном давлении воздуха в реле искровой разряд переходит в установившийся тлеющий разряд и сопровождается распылением контакта-катода. Если сопротивление внешней цепи мало или уменьшается в процессе длительного прохождения слаботочных искровых разрядов, то они могут развиться в сильноточные – дуговые разряды.

Дуговой разряд в воздухе сопровождается электронной и ионной проводимостью межконтактного промежутка длиной порядка 100 мкм при сравнительно низких градиентах электрического потенциала (10–20 В) и плотности тока до 10⁴ А/см². Дуговой разряд характеризуется падающей вольтамперной кривой, а также наличием катодного пятна и плазмы с температурой 5000–10000⁰ С. Электроны, необходимые для поддержания разряда, поступают с катода в основном за счет термоэлектронной эмиссии.
Очевидно, что разряд с такими тепловыми характеристиками, тем более длительный разряд, может привести к существенной эрозии контактов. Как правило, разрушается контакт-катод, который выплавляется и испаряется за счет энергии торможения положительных ионов газа и паров металла у его поверхности. Пары металла конденсируются на более холодном контакте-аноде, вслед­ствие чего осуществляется частичный перенос металла с катода на анод. При больших токах возрастает термическое воздействие плазмы дуги, приводящее к преимущественному испарению материала контакта-анода.
Дугу между контактами реле можно зажечь и в процессе размыкания замкнутых контактов с проходящим через них током. Такой вид дуги называется дугой размыкания и имеет для реле наибольшее практическое значение.

Длительность горения дуги размыкания зависит от индуктивности нагрузки, величины коммутируемых тока и напряжения, материала контактов, расстояния между контактами и скорости их расхождения. Для возникновения и поддержания стационарного дугового процесса напряжение на контактах и ток дуги не должны быть меньше минимального напряжения дуги Uд и минимального тока дуги Iд, зависящих от материала, температуры и формы контактов. Значения параметров дугообразования при размыкании активных нагрузок для большинства контактных материалов СЭМР составляют Uд =12–15 В и Iд =0,4–0,6 А. У окисленных и покрытых копотью контактов величина Iд может быть меньше в несколько раз.
Процессу зажигания дуги размыкания предшествует процесс размыкания контактов без газоразрядных явлений. В этом случае в момент размыкания конечные точки контактов сильно разогреваются и могут расплавиться, образуя между электродами мостик из жидкого металла. Эффект Томсона вызывает асимметрию формы и температуры мостика, даже когда электроды изготовлены из одинако­вого металла. Далее наступает момент, когда мостик взрывоподобно разрывается вследствие закипания наиболее горячей его части или из-за снижения силы поверхностного натяжения, удерживающей жидкий перешеек. Мостики образуются обычно при разрываемом токе более 10 мА и падении напряжения на мостике около 0,5–0,8 В.
Таким образом, при размыкании контактов без газового разряда происходит мостиковая эрозия (перенос) материала контактов: на контакте-катоде образуются иглы (пики), а на контакте-аноде соответствующие им углубления (кратеры).
Взрывное испарение контактных материалов всегда сопровождается образованием нейтрального пара, положительных ионов и электронов, способствующих развитию при определенных условиях газового пере­ходного разряда или устойчивой дуги.
Вид разряда зависит от тока в момент, предше­ствующий разрыву, от характеристик внешней цепи контактов (в частности, от межконтактной емкости и индуктивно­сти подводящих проводов и нагрузки), от скорости и длины расхождения контактов.
Вначале процесса расхождения контактов наиболее вероятно возникновение кратковременной (около 1 мкс) и короткой (бесплазменной) дуги длиной около 1 мкм (длина свободного пробега электронов между контактами).

Короткая дуга в воздухе в зависимости от активности поверхности контактов может образоваться при разрываемом токе 50–100 мА. Даже при разрыве мости­ка с напряжением на нем не более 1 В индуктивности во внешней цепи контактов бывает достаточно, чтобы вызвать в момент обрыва тока скачок напряжения, который намного превысит требуемое значение 10–15 В. Направление переноса материала контакта при зажигании короткой дуги аналогично мостиковой эрозии, так как ток в короткой дуге переносится главным образом электронами, бомбардирующими контакт-анод.
При дальнейшем размыкании контактов короткая дуга может погаснуть или стать устойчивой, т.е. превра­титься в обычную или «длинную» дугу. В этом случае в газовом разряде возникают зоны анодного и катодного падения потенциала. Основным условием возникновения устойчивой дуги является наличие на расходящихся контактах достаточного тока и напряжения, поддерживающего ионизацию межконтактного промежутка, вызванную первой дугой. Например, дуга не зажигается при разрыве серебряными контактами нагрузки с током I < Iд=0,4 А и напряжением на разомкнутых контактах Uд < Uд=12 В. Не зажигается дуга и в том случае, если только один из этих параметров превышает величину дугообразования. Если этими же контактами с тем же током и напряжением размыкать соответствующую индуктивную нагрузку, то между контактами образуется дуга с длительностью, прямо пропорциональной параметру индуктивности τ, и следующий за дугой тлеющий разряд. (Индуктивная нагрузка характеризуется на постоянном токе параметром τ =L/R, где L–индуктивность, а R– активное сопротивление нагрузки. На переменном токе индуктивная нагрузка характеризуется коэффициентом мощности Cos φ).

Типичная осциллограмма тока и напряжения на контактах СЭМР при размыкании индуктивной нагрузки

Следующий за дугой тлеющий разряд (см. рис) может возникать и самостоятельно без предшествующей длинной дуги, когда ток индуктивной нагрузки меньше требуемого при данных условиях тока дугообразования. Тлеющий разряд образуется вслед за дугой, когда энергии, запасенной в индуктивной нагрузке, недостаточно для продолжения горения дуги, но хватает для поддержания слаботочного тлеющего разряда, который характеризуется большим, чем у дуги катодным падением напряжения (300 В). Кроме дуги и тлеющего разряда при размыкании контактов СЭМР часто наблюдаются кратковременные (менее 1 мкс) ливневые разряды, вызванные колебательным процессом при заряде-разряде собственной емкости индуктивной нагрузки. В момент расхождения контактов емкость нагрузки заряжается до напряжения пробоя начального расстояния между контактами и колебательно разряжается. Этот процесс повторяется много раз до тех пор, пока не израсходуется основная часть индуктивной энергии и пока расстояние между контактами не станет слишком большим для пробоя. В процессе прохождения ливневых разрядов амплитуда напряжения на контактах будет постепенно увеличиваться до 1000 В и более.
При тлеющем разряде от поверхности контакта-катода отрываются отдельные частицы материала контакта, представляющие собой преимущественно нейтральные атомы. Интенсивность катодного распыления обратно пропорциональна работе выхода атомов из кристаллической решетки металла. Направление эрозии при тлеющем разряде аналогично направлению массопереноса при дуговом разряде.
Таким образом, устойчивая дуга может зажечься от источника значительно меньшего напряжения, чем минимальный потенциал зажигания газа в промежутке между электродами. Но для горения дуги необходима минимальная энергия (минимальное напряжение дуги Uд и минимальный ток дуги Iд,), которая может быть запасена не только в источнике питания нагрузки, но и в ее индуктивности.

Предупредить развитие устойчивой дуги, можно схемным путем, искусственно замедляя нарастание напряжения в межконтактном промежутке. Например, параллельно промежутку можно подсоединить с помощью коротких проводов конденса­тор достаточной емкости, который настолько задержит нарастание напряжения на разрядном промежутке, что промежуток успеет деионизоваться после первой же короткой дуги. Контакты за это время должны разойтись на такое расстояние, чтобы не могла возникнуть и новая дуга, даже если к разрядному промежутку окажется приложенным полное напряжение источника.
Следует понимать, что горит дуга в парах металла контактов. Поэтому наличие вакуума во внутреннем объеме реле не «гасит» дугу, а является лишь проблемой для ее зажигания. Понижение давления газовой среды внутри реле при его разгерметизации в вакууме согласно закону Пашена будет способствовать зажиганию дуги и переходу ее в устойчивое состояние.

При коммутации переменного тока низкой частоты, соизмеримой со временем перелета контактов (1–2 мс), дуга при переходе тока через «ноль» гаснет и, загораясь вновь, меняет направление эрозии. Результирующая эрозия контактов в этом случае выражена значительно слабее, чем при коммутации постоянного тока и переменного тока меньшей или большей частоты, чем оптимальная. Действие высокочастотного тока аналогично постоянному току, так как время прохождения тока через нулевое значение недостаточно для деионизации воздушного зазора.