Внешние концы КС служат для присоединения МК к коммутируемой электрической цепи.

При воздействии управляющего магнитного поля от обмотки 7 с током или постояиного магнита 8 (рис. 7.1, а) между КС возникает электромагнитная сила, которая, преодолевая механическую силу упругости КС, приближает их внутренние концы друг к другу. При определеииом значении поля (зиаченнн величины срабатывания) КС переходят в замкнутое состояние, которому соответствует конечный рабочий зазор 6к (рис. 7.1, в). Уменьшение поля до значения величины возврата вызывает размыкание КС под действием сил их упругости.

Асимметричный язычковый замыкающий МК (рис. 7.1, г) имеет разные КС, один из которых (на рисунке обозначен цифрой /) более гибкий. Такая конструкция сложнее в изготовлении (различные КС; необходимость при заварке установки одного из КС под углом к продольной осн баллона, если желательна параллельность контактных поверхностей при их соприкосновении; труднее исключить разрушение контактных покрытий под действием теплоты, выделяющейся при заварке более короткого КС, так как контактирующие поверхности приближаются к месту заварки). Однако такая конструктивная схема решает проблему миниатюризации, так как при этом для одного и того же раствора н возвращающей механической силы КС длниу баллона удается получить меньше, чем по схеме симметричного исполнения. Применение асимметричных язычковых МК дает также возможность в ряде случаев получить более компактные переключатели, управляющее магнитное поле в которых создается подвижным постоянным магнитом. Принцип действия асимметричных язычковых замыкающих МК такой же, как и у симметричных конструкций.

В исходном состоянии большинства язычковых переключающих МК (рис. 7.1, д-ж) переключающий КС 4 механически поджат к размыкаемому КС 5. Прн определенном значении управляющего магнитного поля происходит перемещение переключающего КС от размыкаемого (5) к замыкаемому (/) КС.

В конструкции, показанной на рис. 7.1, д, КС / обычно выполняется неподвижным; из двух других КС переключающий КС 4 обладает существенно большей гибкостью.

Конструкция, изображенная на рнс. 7.1, е, имеет один подвижный КС 4 и два неподвижных КС (/ и 5). Возможность переключения в этой конструкции обеспечивается за счет создания асимметрии: большего рабочего зазора между КС 4 и 5 по сравнению с зазором между КС 1 а 4 (с этой целью на КС 5 устанавливается немагинтиая коитакт-деталь 6, например, как показано иа рисунке); разных перекрытий между КС; выполнения КС 5 с меньшим поперечным сечением, чем у КС /, с целью насыщения КС 5 при воздействии магнитного поля.

Возможность переключения в конструкции, изображенной иа рис. 7.1, ж, обеспечивается наличием немагнитной коитакт-детали 6

между КС 4 и 5. Условия переключення улучшаются, если источник управляющего магнитного поля располагается асимметрично относительно МК, ближе к рабочему зазору между КС 1 н 4. Например, с этой целью источник упраёляющего поля может быть выполнен в виде обмотки с током, расположенной вокруг КС /.

Существуют язычковые МК, по конструктивному исполнению аналогичные изображенным иа рис. 7.1, е, ж, но без предварительного механического поджатия переключающего КС к какому-либо из других КС. Такие МК предназначены для использования только в поляризованных электрических аппаратах, например в поляризованных геркоиовых реле. При отсутствии поляризующего и управляющего магнитных полей переключающий КС в этих МК расположен между двумя другими КС и находится с ними в разомкнутом состоянии.

Помимо МК с цилиндрическими баллонами существуют язычковые МК с плоскими баллонами. Такие МК имеют в полтора-два раза меньшую площадь поперечного сечения. Это позволяет выполнять реле на их основе (особенно с большим числом МК в обмотке управления) более компактными и менее энергоемкими. Последнее достигается за счет более близкого расположения обмотки к КС (что снижает МДС срабатывания) и сокращения средней длины ее внтка. Однако плоские МК более трудоемки в изготовлении и широкого распространения пока не получили.

Контактные сердечники язычковых МК могут быть изготовлены не только из магнитомягкнх, но и из средиекоэрцитнвных материалов (Яс« 1,5-4,0 кА/м) с высокой остаточной магнитной индукцией (Вг« l,4-f-l,8 Тл). В этом случае после замыкания МК его КС прн снятии управляющего магнитного поля остаются в замкнутом состоянии под воздействием их остаточной магнитной энергии. Такие МК в СССР получили название гезаконов (герметизированные запоминающие контакты).

Требование по коэрцитивной силе для материала КС гезакоиов определяется, с одной стороны, желанием быстро и с меньшей затратой электрической энергии перемагннчивать КС (ограничение по верхнему пределу Не), а с другой - необходимостью создать достаточную магнитную энергию для удержания КС в замкнутом состоянии после снятия управляющего поля (ограничение по нижнему пределу Не). Материал для КС гезакоиов должен также иметь прямоугольную петлю гистерезиса, что дает возможность перемагннчивать его импульсами магнитного поля с меньшей напряженностью, повышает стабильность параметров гезаконов при производстве и снижает влияиие паразитных размагничивающих импульсов поля (не превышающих в КС значение Н) на их работу. В настоящее время гезакоиы изготавливаются по конструктивной схеме, изображенной на рис. 7.1, а.

Электрическое сонротнмение замкнутых язычкояых МК с твердыми контактными покрытвями включает в себя сопротивлевие КС, сопротивление покрытия и переходное сопротивленне контакта. Второй составляющей можно пренебречь.

Вследствие значительного удельного электрического сопротивления низконикелевых пермаллоев и ковара (примерно 0,45-0,5 мкОмм; для сравнения у меди-0,0175 мкОм-м), большой длины и малой площади поперечного сечения КС сопротивление двух КС (20-75 мОм прн измерении на постоянном токе) часто бывает больше переходного сопротивления контакта в начале срока службы МК.

Как и в обычных контактных аппаратах, переходное сопротивление МК. а соответственно и его суммарное сопротивление зависят от контактного нажатня. Защитная среда позволяет в МК обеспечить малые значения переходного сопротивления (от нескольких единиц до 100-150 мОм при контактном нажатин примерно от 0,015 до 0,2 Н в зависимости от материала покрытия, технологии его получения и характера среды). Однако контактное нажатие в МК не должно быть ниже определенного значения для обеспечения надежности его работы н устойчивости к вибрациям и ударным нагрузкам. В микроминиатюрных МК (с длиной «аллоиа 7,5-10 мм) она примерно составляет 0.02-0,03 Н, а в МК нормального размера (с длиной баллона 50 мм) - 0,2-0,4 Н.

Наиболее низкое суммарное сопротивление в замкнутом состоянии (примерно 25 мОм) имеют МК нормального размера с серебряным покрытием н заполнением баллона чистым водородом при повышенном давлении, а также с покрытием сплавами иа основе золота. Наиболее высокое сопротивление (до 100- 300 мОм) - у МК нормального размера с покрытием из вольфрама н у микроминиатюрных МК. Обычно МК, меньшие нормального размера, с вольфрамовым покрытием ие изготавливаются из-за их большого сопротивления.

Сопротивление МК возрастает с увеличением частоты проходящего по ннм тока из-за поверхностного эффекта. При частоте 10 Гц оно может быть уже в 1,5-3 раза больше, чем при постоянном токе. Для коммутации токов высокой частоты КС покрывают слоем иеферромагнитного материала с большой электропроводностью (чаще всего медью) толщиной 5-10 мкм. Контактные сердечники высокочастотных МК изготавливают также из платинитовой проволоки, представляющей собой сердечник из ковара или пермаллоя, покрытого тонким слоем немагнитного материала с высокой электропроводностью.

Для коммутации токов высокой частоты коммутирующие аппараты должны обладать небольшими емкостью и индуктивностью. Благодаря малым размерам КС и малой площади их перекрытия язычковые МК (рис. 7.1) имеют небольшую собственную емкость (0,2-1,0 пФ) н индуктивность (0.02-0,06 мкГн),

Отечественный язычковый замыкающий МК типа MK-I7 способен коммутировать токи частотой до 100 МГц. Прн частоте 60 МГц его активное сопротивление ие более 200 мОм.

Сопротнвленне изоляции МК (электрическое сопротивление в его разомкнутом состоянии) в основном определяется поверхностным сопротивлением стеклянного баллона.

Наиболее характерные цифры для большинства язычковых МК при нормальной температуре и влажности окружающей среды - Ю-Ю МОм. В МК предназначенных для коммутации токов до 10-">-Ю- А при напряжениях до 100 В, сопротивление изоляции достигает 10-10 МОм.

Некоторые язычковые МК позволяют коммутировать не только токн 10-">-7--=-10-4 А, ио н цепи весьма низкого напряжения (до 10-» В). К отечественным конструкциям такого рода относится MK-I7.

Таким образом, МК являются перспективными элементами для коммутации сигналов очень малых уровней (так называемых сухих нагрузок), когда состояние контактирующих поверхностей меняется практически под действием только механических сил (влияние электрических н тепловых эффектов пренебрежимо мало).

Электрическая прочность МК характеризуется напряжением газового пробоя U„f илн напряжением, вызывающим перекрытие по поверхности баллона. Напряжение пробоя язычковых МК с твердым контактным покрытием зависит от межкоитактного расстояния, формы, материала и состояния контактирующих поверхностей, рода и давления газа внутри баллона, формы и длительности прикладываемого к КС напряжения.

Исследования статических н динамических характеристик электрической прочности язычковых замыкающих МК с длиной баллона 50 мм при заполнении азотом показали:

1. При постоянном напряжении, переменном напряжении (амплитудное значение) промышленной частоты и воздействия импульсов (амплитудное значение) длительностью 30-60 с напряжение пробоя МК имеет одинаковую величину и подчиняется закону Пашена. Результаты статических исследований приведены на рис. 7.2.

2. При кратковременных импульсах прямоугольной формы напряжение про-боя больше, чем при постоянном напряжении, причем оно увеличивается с со-

13,3-Ю 66-10

50 100 150 200 250 8р,шм

Рис. 7.2. Зависимость статического напряжения пробоя от раствора контактов при различных давлениях азота в баллоне МК

S.0 2.6 2,2 1,8

1.0 0,6 0,2.

Рнс. 7.3. Динамические зависимости напряжения пробоя МК от длительности прямоугольного импульса при различных давлениях азота в баллоне н растворе контактов 100 мкм

кращеннем длительности импульса тем резче, чем меньше давление газа (рис. 7.3). Если длительность импульса меньше критического значения /кр (соответствует точке пересечения любых двух кривых на рис. 7.3), то напряжение пробоя выше при более инзком давлении, что при указанных на рнс. 7.3 давлениях азота н растворе 100 мкм не соответствует закону Пашена.

Динамические исследования электрической прочности МК важны не только для оценки возможности их пробоя от различных внешних импульсов напряжения, ио н при анализе процессов коммутации.

В обычных язычковых МК с твердыми контактными покрытиями, заполнение газом которых происходит при давлении, равном илн несколько превышающем нормальное атмосферное, после нагрева при заварке и последующего охлаждения газа его давление внутри баллона становится меньше атмосферного (примерно от 0,35-105 Па до 0,8-10= Па). У таких МК напряжение пробоя обычно находится в пределах 100-600 В (действующее значение напряження промышленной частоты). Максимальное коммутируемое напряжение МК в несколько раз меньше напряжения пробоя и у большинства конструкций составляет 30-

Для получения большей электрической прочности - примерно до 1-1,5 кВ (действующее значение) создаются МК с повышенным давлением газа в баллоне- примерно до нескольких десятков МПа.

Для получения электрической прочности свыше 3-5 кВ баллоны МК ва-куумируются. В вакуумированных язычковых МК (с гибкими подвижными КС) достигается электрическая прочность до 7-10 кВ. Для получения электрической прочности 20-30 кВ создаются специальные (неязычковые) вакуумироваиные

МК, описание которых дано в § 7.4. Давление в вакуумнрованных МК понижено до 10-2-Ю-" Па.

Коммутационная извосостойкость МК. Исследования показывают, что в сухих язычковых МК даже после 10 циклов срабатываний механический износ контактных покрытий незначителен. При коммутациях нагрузок, сопровождающихся электротермическим износом, ресурс МК меньше. На рис. 7.4 приведены зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК от постоянного тока при активной нагрузке. При напряжении 12 В (кривая /) износостойкость МК плавно уменьшается с ростом тока. Однако в кривой 2 (напряжение 48 В) при то-

0,2 I.A

W 20 30 W 50и,В

Рис. 7.5. Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от напряжения коммутируемой цепи постоянного тока 100 мА при активной нагрузке

Рис. 7.4. Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от коммутируемого постоянного тока прн активной нагрузке и двух значениях напряжения;

/ - при и-12 В; 2 - при Uib в

ке 200 мА имеется максимум, что свидетельствует об изменении характера износа материала контактных покрытий. Одна нз наблюдаемых на сухих язычковых МК зависимостей коммутационной износостойкости от постоянного напряжения показана на рнс. 7.5. Однако в зависимости от параметров коммутируемой цепи типа МК, условий коммутации и критерия отказов зависимость коммутационной износостойкости от напряжения может иметь иной вид.

На рис. 7.6 как пример в матричном виде приведена диаграмма влияния постоянных силы тока и напряжения иа коммутационную износостойкость миниатюрных (с длиной баллона 20 мм) язычковых МК при критерии отказа-не-размыкание или превышение сопротивления МК сверх 1,0 Ом. Испытания проводились до 100 млн. срабатываний. Область без штриховки иа рис. 7.6 показывает наиболее благоприятные нагрузки.

Прн активной нагрузке, постоянном напряженки до нескольких деснтков вольт и токах примерно 100-200 мА наблюдается мастиковая эрозия. Прн золотом покрытии перенос материала в МК происходит с анода иа катод, причем прн толщине покрытия 5-6 мкм в переносе участвует не только золото, ио и материал КС. Крутизна возникающих при этом на контактах пиков н кратеров большая. Удовлетворительная работа МК при такой эрозии наблюдается до тех пор, пока пики

яе станут больше толщины контактного слоя илн не будет заклинивания пиков в кратерах. Прн таком же постоянном напряжении, но прн больших токах или при большем напряжении и при тех же токах после разрыва расплавленного мостика прн размыкании активной нагрузки появляется короткая дуга. Перенос в этом случае также происходит с анода на катод, однако стенки кратеров и пиков становится более пологими и оплавленными. Отказы при этом вызываются сваркой.

Появление индуктивности в нагрузке меняет характер эрозии. Даже такая малая индуктивность, как 10--10- Гн. вызывает перенапряжения на контактах при отключении. При этом в зависимости от значений тока и напряжения могут возникнуть разные виды разрядов.

При больших индуктивностях (десятые доли генри и выше), постоянном напряжении до 50-60 В и токах до 300 мА наблюдается длительный тлеющий разряд, которому предшествуют разрыв моста и кратковременные другие виды разрядов: прерывистый - повторяющиеся пробои межкоитактного промежутка с зажиганием и погасанием коротких дуг (рис. 7.7, а) или одна короткая дуга

Прерыйистш Тлеюшии Короткая Тлеитий разряд рагряд дуга разряд

Рнс. 7.6. Диаграмма влияния по- Рис. 7.7. Осциллограммы напряжения иа

стоянных силы тока и напряжения контактах в начале размыкания иидук-

на ресурс миниатюрных язычковых тнвной нагрузки при постоянном напря-

МК с золото-родиевым контактным жении источника питаияя 60 В: покрытием прн работе в цепях с а-при /-Э0 нЛ; б -при /-200 иА

активными нагрузками. Число в кружках - количество срабатываний в миллионах до наступления отказа

(рнс. 7.7,6). Характер процесса коммутации существенно зависит от распределенной емкости цепи. На рис. 7.8 в качестве примера приведены временные зависимости тока и напряжении иа МК, когда после прерывистого разряда (ие показан иа рисунке из-за малой длительности) зажигается тлеющий разряд. Если тлеющему разряду предшествует прерывистый разряд, то перенос материала происходит с катода на анод, а если короткая дуга, то с анода на катод.

При напряжении и токе цепи, превышающих минимальные значения дугообра-зования, в процессе коммутации загорается плазменная (длинная) дуга. Перенос материала при этом наблюдается с катода на анод.

При коммутации емкостной нагрузки и ламп накаливания из-за бросков тока наиболее опасен процесс замыкания МК. Размыкание емкостной нагрузки не опасно, так как благодаря небольшим значениям сопротивлений подводящих проводов н замкнутых контактов в установившемся режиме после замыкания емкость заряжается до напряжения источника питания н после размыкания контактов разность оотенциалов на них равна нулю.