Una anàlisi sistemàtica dels materials de contacte del relé i la vida útil

Els relés es troben entre els components de control més utilitzats en sistemes de control automatitzats, sistemes de control de potència i equips industrials no estàndard-. El nucli del rendiment del relé rau en el seu sistema de contacte. La selecció dels materials de contacte i la seva corresponent vida elèctrica i mecànica determina directament la fiabilitat del relé, el cicle de manteniment i l'estabilitat de tot el sistema. La selecció adequada dels materials de contacte i les formes estructurals ajuda a reduir significativament les taxes de fallada dels equips i els costos de manteniment.

 

 

La vida útil del relé generalment es divideix en dues categories: vida útil mecànica i vida útil elèctrica.

 

La vida útil mecànica es refereix al nombre d'operacions repetibles causades només per l'acció mecànica en condicions sense{0}}càrrega, que normalment arriba a milions o fins i tot milers de milions de vegades. La vida útil elèctrica, d'altra banda, es refereix al nombre de vegades que els contactes completen accions de commutació i mantenen la funció normal en condicions de càrrega nominal, i sol ser significativament inferior a la vida útil mecànica.

 

La vida elèctrica esperada típica dels-relés d'ús general i dels relés de potència no sol ser inferior a 100.000 cicles, però aquest valor depèn molt de les condicions de funcionament específiques. Quan els contactes funcionen en condicions per sota de la càrrega nominal, la seva vida útil elèctrica real sovint es pot allargar diverses vegades. Per exemple, els contactes de corrent alta-exhibeixen una energia d'arc significativament reduïda i unes taxes d'erosió del material més lentes quan es canvien càrregues resistives més petites, aconseguint així una vida útil de milions de cicles.

 

El final de la vida elèctrica prové típicament dels següents modes de fallada: La migració del material es produeix sota arcs repetits, donant lloc a soldadura o adhesió; La pèrdua greu de material per esquitxades o ablació de la superfície de contacte impedeix un contacte elèctric estable; La resistència de contacte augmenta contínuament, superant el rang admissible del sistema.

 

En enginyeria pràctica, la vida de contacte es pot allargar eficaçment mitjançant el disseny racional dels materials de contacte, la pressió de contacte i les mesures de supressió d'arc corresponents.

 

 

Els contactes de relé poden utilitzar diversos metalls preciosos i aliatges. Els diferents materials presenten diferències significatives en conductivitat, resistència a l'arc, soldabilitat i resistència al desgast. Les formes habituals inclouen contactes metàl·lics simples-, contactes de material compost i estructures bimetàl·liques, com ara els contactes bimetàl·lics de plata, els reblons de contacte bimetàl·lics i els contactes bimetàl·lics de plata, molt utilitzats en relés industrials i relés de potència.

 

En aplicacions de corrent mitjana-a-alta, els materials compostos basats en plata-són l'opció principal, aconseguint un bon equilibri entre la conductivitat i la resistència a l'erosió de l'arc. Aquests materials normalment existeixen en forma de contactes compostos o contactes elèctrics de precisió, fabricats mitjançant processos de metal·lúrgia de pols o encapçalament en fred.

 

 

1. Òxid de plata de cadmi (AgCdO)

L'òxid de plata de cadmi ha estat durant molt de temps un material típic per als contactes de relé de corrent mitjana-a-alta. Aquest material utilitza la metal·lúrgia en pols per distribuir uniformement l'òxid de plata i cadmi, combinant una conductivitat gairebé -de plata pura amb una excel·lent resistència a la soldadura. Els seus avantatges inclouen:

 

Sota l'arc, l'òxid de cadmi inhibeix eficaçment la migració del material;

Té una bona capacitat d'extinció d'arc-, reduint significativament el risc d'adhesió de contacte;

Sota una pressió de contacte adequada, la resistència de contacte es manté estable.

 

Normalment, el contingut d'òxid de cadmi en AgCdO està entre el 10% i el 15%. A mesura que augmenta el contingut, la resistència a la soldadura millora, però la ductilitat i les propietats de treball en fred disminueixen en conseqüència. Per tant, aquest material s'utilitza sovint en estructures com el rebló bimetal per a relés per equilibrar la processabilitat i el rendiment elèctric.

 

2. Òxid d'estany de plata i òxid d'estany d'indi de plata (AgSnO, AgInSnO)

Amb les regulacions ambientals cada cop més estrictes sobre materials de cadmi, l'òxid d'estany de plata i l'òxid d'estany d'indi de plata s'han convertit gradualment en alternatives importants a AgCdO. Aquests materials tenen una duresa més alta i una bona soldabilitat, la qual cosa els fa especialment adequats per a aplicacions amb un corrent de sobretensió important i un corrent d'estat estacionari baix-, com ara càrregues de filaments o càrregues inductives.

 

En comparació amb AgCdO, aquests materials tenen una resistivitat de volum lleugerament més alta, però presenten una bona fiabilitat en els relés d'automòbils i els sistemes de corrent continu, especialment adequats per a estructures de contactes d'alta-fiabilitat, com ara els contactes de plata d'interruptor i els contactes de plata fixos.

 

 

La plata pura té la conductivitat elèctrica i tèrmica més alta de tots els metalls, una resistència de contacte extremadament baixa i un cost relativament controlable; per tant, s'utilitza àmpliament en contactes elèctrics de plata. Tanmateix, els seus desavantatges inclouen la susceptibilitat a la sulfuració, l'enfosquiment de la superfície i l'estabilitat a llarg termini-limitada pel medi ambient.

 

Els aliatges de plata-coure, en introduir coure, milloren la resistència al desgast i redueixen la soldabilitat, fent-los aptes per a aplicacions de corrent mitjà-.

 

Els materials de plata-tungstè posseeixen punts de fusió i resistència a l'arc extremadament alts, però requereixen una pressió de contacte elevada i una resistència de contacte relativament alta, per la qual cosa s'utilitzen principalment en aplicacions de càrrega d'alt-impacte, com ara contactes elèctrics lliscants o contactes amb anells lliscants.

 

Els materials de plata-níquel milloren significativament la resistència a l'erosió de l'arc alhora que mantenen una conductivitat gairebé-de plata pura.

 

Els materials de plata-pal·ladi tenen una duresa elevada i un desgast baix, però són més cars, normalment s'utilitzen en relés de precisió amb requisits de vida útil extremadament elevats.

 

Els sistemes de plata-coure presenten una bona resistència a la corrosió en circuits de baixa-intensitat, cosa que els fa adequats per a aplicacions de càrrega lleugera-com ara contactes elèctrics de molla.

 

 

Els contactes de relé moderns sovint utilitzen dissenys d'estructura bimetàl·lica o composta, com ara els contactes bimetàl·lics Ag/Cu, els contactes bimetàl·lics de cap fred i els contactes bimetàl·lics amb rebló. Aquestes estructures aconsegueixen un equilibri òptim entre cost, conductivitat i vida útil dividint el material entre el substrat conductor i la capa de contacte de treball.

 

En aplicacions pràctiques, la selecció dels materials de contacte depèn no només del corrent nominal, sinó també d'una consideració acurada del tipus de càrrega (resistiva, inductiva, capacitiva), la tensió de funcionament, les condicions ambientals i la vida útil esperada. Per als sistemes d'alta-fiabilitat, a més de la selecció del material, sovint cal tenir en compte la forma de contacte, el disseny de pressió de contacte i les estratègies d'extinció d'arc-adequades.
 

 

Contactes de retransmissióSón components crítics en sistemes elèctrics més propensos a fallar, i el seu sistema de materials determina directament la vida elèctrica del relé i la fiabilitat del sistema. Mitjançant la selecció científica dels materials de contacte, l'adaptació racional de les característiques de càrrega i l'adopció d'estructures de contacte bimetàl·liques o compostes madures, la vida útil dels relés es pot allargar significativament. Amb el desenvolupament de la nova energia, l'electrònica de l'automòbil i l'automatització industrial, la demanda de contactes elèctrics d'alt rendiment- i contactes de metalls nobles seguirà creixent, i la tecnologia dels materials de contacte continuarà evolucionant cap a una fiabilitat més alta i respectuosa amb el medi ambient.