接触电阻的危害与防治措施.doc

应用实例接触电阻的危害与防治措施自动化博览变频调速技术讲座培训班 10 月在京举办19文献标识码B 文章编号 1003 0492(2002)01 0019 03 中图分类号 TM934.14接触电阻的危害与防治措施Harm and Preventative Measures of Contact Resistance贵州水晶有机化工集团公司计算机中心贵州 551402 汪永恒摘要阐述了接触电阻形成的机理和对电器设备带来的严重危害运用理论知识进行实例分析通过丰富的实践经验解决了因此常发生的电子设备的故障尤其是电子计算机等微电子设备并从设计制造以及装配的角度提出了减小或防止接触电阻产生的方法与措施从而提高电子设备的可靠性和稳定性关键词接触电阻计算机电子设备危害措施Abstract: This article expounds forming mechanism of contactresistance and its grievous harm for the electronic equipment,analyzes the case by applying theory knowledge, solves thetroubles of electronic equipment that often happens by richexperience of practice, esp. like computer and othermicroelectronic equipment. From the point of view of design,making and assembling raises the ways and measures to reduceand avoid contact resistance forming and improves the reliabilityand stability of electronic equipment.Key words: contact resistance computer electronic equipmentharm measure1 接触电阻的产生与危害在我们的工作和生活中经常遇到电源保险丝无故烧毁电视效果变差计算机突发故障DCS系统监控失效动力设备经常性跳闸以及超高建筑物被雷击等事故这些事故大多数都是由于接触电阻过大造成的下面我们来分析它的机理并提出相应的解决方法和具体的处理措施收稿日期2001 11 15作者简介汪永恒1957 男江西德兴人高级工程师主要从事工业生产计算机自动控制的应用DCS 技术与信息技术Hi-Fi 视听技术的发展与研究1.1 接触电阻的产生接触电阻从狭义上来讲就是连接导体之间接触面上的电阻值其广义是反映了电荷从一种物体移动到另一种或同一种物质时要消耗一定的能量这种能量的消耗好似一种阻力而这种阻力与同种导线不同种导体的材料几何形状接触界面状况接触的松紧距离等有关可用电阻定律简要描述为RJ=rL/S RJ 为接触电阻r为导体的电阻率由导体的材质决定同时与温度有关可表示为rt=ro(1+at) S 为导体的横截面积L 是导体的长度这一定律被广泛运用在动力设备和半导体传感性元器件的生产与制造上如交一直流接触器开关火花塞等电器的静动触头根据使用不同过荷电流大小电压等而采用不同的触头形状以尽可能地增大接触面积来减小RJ 值尤其在大电流低电压的负载条件下更是如此减小RJ 对电器设备来说接触部位由于J 较小其发热量就小设备的运行就更稳定对周围的脉冲热幅射就更小从而保证和延长了电器设备的使用寿命1.2 接触电阻产生了焦耳热当一固定导体通有电流时导体的温度将会增高内能也增高并以热传递的方式向导体周围的物体传递其大小用焦耳椤次定律来描述即Q=KI2Rt=0.24I2Rt从式中可得出结论电流通过导体所发出的热量Q 与电流强度I 的平方导体电阻R 和通电时间t成正比这种热量俗称焦耳热它产生的原因是自由电子在电场的作用下电场力对它作功所以经过某一自由程之后将获得与定向速度有关的动能这部分能量在电子和晶格相碰撞的过程中不断地传给金属导体的周围晶格使晶格的热运动加剧温度迅速升高从而以焦耳热能的形式释放出来万方数据接触电阻的危害与防治措施应用实例20 现场总线技术文集5 月出版自动化博览焦耳椤次定律的物理意义是从改变物体温度即增加物质内能这个效果上来说I2Rt 焦耳的电流功相当于Q 卡的热量即相当于0.24I2Rt 卡的热量1.3 导体热应力的形成由于接触点或面的接触电阻附加在导体电阻上使接触点产生的焦耳热远大于导体产生的焦耳热因而接触点的热应力也大于导体的热应力其静态变形也大一些即接触点成为热集中点和应力集中点正是接触点存在接触电阻即便很小R0接触处也会产生热量使导体产生热应力形成不均匀的热膨胀用杨氏定律来表示这个热应力为F/A=Aa T 与t 成正比我们称为静态形变当这种应力无限变大时有可能超过导体的抗断强度而断裂一般要求材料有较高的强度和较低的热膨胀系数尤其是当两种结合的材料不同时往往由于他们的热膨胀系数不同而发生弯曲变形的大小也不同因而出现膨胀量的线度不一致造成扭曲或拉裂使通电导体由于热应力的产生而发生热胀导致焊点拉裂或脱焊1.4 电流大小及其变化对RJ的影响连接的导体材料的弯曲变形会受到电流变化频率和大小的影响当电流在一定范围内中低频变化时将会加速导体的老化或动态变形如果接触点的温度升高到150 以上将会造成物体的反复收缩与膨胀形变当材料的抗形变能力不能抵抗这种热应力形变或超过材料的疲劳极限时将导致材料龟裂或熔裂若用50 倍以上的放大镜观察就可以明显地看到不同材质接合处的细小裂纹这些细小的裂纹产生后导体间的接触面积进一步减小由于S RJ 从而导致Q 在电流变化频率Fi的作用下加速了焊点或不同接触体之间的老化拉裂熔化另一方面金属材料在空气中由初期的物理变化迅速转变为化学变化在较高温度下金属更易发生氧化反应成为热腐蚀在电流的作用下又加速出现复杂的电化学反应使金属表层产生了导电率低电阻率大且传热性能差的金属氧化物氧化锡三氧化铜等物质而这些物质形同一件外衣使物体温度加速上升由于生成这种不良导电特性物质的电阻RJ增加又使热量Q 进一步上升导致接触面积S 的进一步减小加大了RJ 形成了恶性循环最终使得导体之间的接触时通时断好似一只手风琴成为通常我们所说的接触不好更为严重的是如有电感性的家用电器设备洗衣机冰箱空调等将会产生很大的反向电动势严重影响了电器设备的正常运行甚至造成损坏1.5 RJ 值对电器设备的影响在强弱电用电设备中由于存在较大的电感L和电容C 会形成瞬时高电压产生较大的脉动电流约为3 15 倍工作电流最容易击穿导体的绝缘层造成短路烧毁电器设备通常带来的严重影响有以下几个方面(1) 在微电子中 特别是电子计算机系统设备由于它们的接插件多如计算机全部接插点近850个如果加上CPU 的接插点将突破1200 个接点这样产生的接触电阻遍布整个主板客观上出现此类故障的几率大幅度上升同时以RLC 谐振方式向外辐射大量的电磁波加上这种微电子高集成度的电子设备工作时间比较长工作电压很低而工作电流较大5V 12V Ig5A 信号电流又十分微弱m mA 级更容易被接触电阻所消耗并转化为危害性较大的热能使信号传输不良造成计算机死机程序运行错误显示器黑屏等故障(2) 在 AV 设备方面如录像机的伺服系统电路和开关电源的重要部位的焊点常常因输出电流变化较大和功率较大的电阻等元件的焊点长期处于冷热拉裂状态造成接触不好导致运行程序错乱不能正常使用(3) DVD LD VCD 影碟机由于接触插件的氧化造成接触不良影响激光系统的定位精度和激光管的正常发射与接收不能及时准确地检索到音视频信号进而促使激光头反复地搜索光碟轨迹信号而加速进给出入盒主导轴电机伺服集成电路的发热与老化缩短了激光头的使用寿命实际中主要表现为该设备的出入仓不灵敏碟片寻迹困难而常出现NO disc 等故障(4) 较大功率的音响设备方面 如功放混响器调音台等由于焊点和接插件的此类故障常常导致声音失真音质不好表现不出音乐的韵味噪声严重甚至不能正常地工作特别是一些高档功放音响设备对这类影响更为敏感后果更为严重(5) 在电视设备中 也常出现在开关电源行输出电路场输出电路视放电路等部位使电视万方数据应用实例接触电阻的危害与防治措施自动化博览变频调速技术讲座培训班 10 月在京举办21机不能正常启动有声音而无图像水平面一条亮线垂直一条亮线串色信号接收与储台不好雪花点增大等现象严重时往往烧毁电视机的主要部件2 接触电阻的降低与防治措施综上所述在电器设备中由于接触电阻的存在和增大带来的设备故障率很高实际的发生率约占七成以上为此我们需从设计生产安装使用等方面来加以解决2.1 设计方面(1) 接插件越少越好 可将原双向接插变为单向接插这可以降低接插点总数的1/2 故障几率可减少50(2) 接插部位采用不易氧化的优良导电材料 如镀金渗透碳合金等以减少接点电阻值和焦耳热的产生(3) 接插点密封处理 防止金属氧化物的产生可加入特殊阻燃的优质密封油和硅脂等(4) 采用 I2C 优化设计电路尽量采用敷铜板走线剔除接插线连接件从根本上解决接触电阻的影响从长远发展考虑生产整合产品即时插类型与国际接轨(5) 信号扁排线采用 PVC 排线去掉聚氯乙烯塑料排线与插座(6) 各插槽宜采用锁扣压力式 以保证接触良好(7) 重要的数据传输必须采用具有锁紧装置的接插件(8) 增加大电流的耗能元器件印刷电路线面积和厚度如计算机的主板 应当保证厚度1.2mm(9) 在设计上应当考虑显示器与主机的整合形式应将他们整合为一个整体以减少各类接插件减小整个体积(10) 过流大的焊点采用双面或加套焊接设计(11) 除上述几点外 更为长远的应首选目前计算机系统最为先进的总线技术IEE 1394 它是一种新的高速通信标准又称为Fire Wire 现今USBUniversal Series Bus 的速度约12Mbps 但IEE 1394的带宽可达100Mbps 主要用于连接高速外围设备IEE 1394 是一种串行接口标准它允许把电脑电脑外设各种家电非常简单地连接在一起它具有以下优点采用 级联方式连接各外部设备该标准在一个端口上最多可连接63 个设备设备之间采用树形或菊花链结构能够向被连接的设备提供电源 IEE 1394 的连接电缆中共有六条芯线其中两条为电源线可向被连接的设备提供电源其他四条线被包装成两对双绞线用来传输信号采用基于内存的地址编码 具有高速传输能力(400Mbps)采用对等结构(peer to peer)安装方便且容易使用IEE 1394 可以大大减少计算机内外设备的接触点最大限度地降低了接触电阻因而可以全面提高系统的性能2.2 生产方面(1) 严格遵照国际标准生产 把好质检关以达到质量标准满足各项技术要求(2) 对电流较大的导电部位 除用波峰焊接外还应采用复焊增强焊接强度提高抗热应力变化能力防止脱焊(3) 尽可能采用含银量较高的焊锡 减少走线电阻值降低分布电感和分布电容的影响(4) 针对较大面积而引脚过多的集成块 除牢固地焊接外还应喷涂强力固化胶加固提高抗形变的能力避免在印刷电路板变形时不致于拉裂焊脚2.3 安装方面(1) 电路主板安装应当自然 平整受力要均匀切勿使其印刷电路板的弯曲变形过大和人为接插部件变形过大导致材料的应力集中而逐渐破坏集成块的焊点机械性能给计算机留下隐患(2) 对于经常接插拔的地方 应当多安装加固螺栓防止接插部件松动脱落和损坏如电源显卡网卡声卡和外设插口部位(3) 在各插板的接插部位应涂抹微量的优质防锈油如优质硅油或适量的优良导电炭粉以减少接点间的氧化提高导电性能和整机的使用寿命(4) 对于主板的安装 应当采用弹簧瓦丝加垫片以防热变形和振动使其松动影响整机性能下转24 页万方数据电力质量监控系统PowerMonitor II 应用实例24 现场总线技术文集5 月出版自动化博览5.1 RSEnergy 软件包RSEnergy 软件包包括数据通讯工具客户服务器软件和高级网络技术允许用户有效地管理能源的使用一个安装了RSEnergy 软件的服务器允许客户机在网络上通过一个简单的网络浏览器阅读能源信息并且直接访问罗克韦尔自动化的电力系统监控设备及带RSLinx 通信软件包的PLC 系统RSEnergy 系统组态结构如图3 所示带IE的客户工作站以太网带IE的客户工作站Windows NT ServerRSEnergyPMII 监视模块PMII 监视模块电力监控模块电力监控模块DeviceNet RIORIO DeviceNetPLC5SLC500以太网PMII主模块以太网PMII主模块图3 RSEnergy 系统组态5.2 RSPower32 软件包RSPower32 是基于Active X 技术的单机软件包与RSLinx 软件一起使用允许用户配置和查看电力监控硬件通过此软件用户可以在PC 机上配置和查看现场的电压电流功率设备运行状态等在监控中心对电源质量进行谐波分析监控电源质量并通过相应的软件平台实现能源计费该软件安装只需几秒钟用户就可以监控电力系统浏览记录文件分析谐波数据及图形显示另外RSPower32 作为一个OPC/DDE 服务器可以与其他HMI 软件包或Microsoft Excel 等软件集成RSPower32 是基于Windows 软件的程序可以组态和显示罗克韦尔自动化电力监控器的参数RSPower32TM是一个完整的工具保存用户电力监控参数到磁盘打印数据谐波和波形管理电力监控器的配置6 结语电力系统是各行各业发展的基础目前国内电力系统的自动化正处于发展阶段提高电