家用和类似用途开关触点选用详解_图文

1、家用和类似用途开关用触点选用详解 罗宣果 何均匀作者简介罗宣果 中山市德牌电器有限公司 高级工程师。 1993年进入电工行 业,主要从事产品测试,产品性能分析以及品质管理工作。何均匀 自 1993年以来先后在多家国内外知名电工企业工作, 曾与业 内众多技术专家和权威人士共事, 对开关性能要求和实现方法有较深 的认知。概述触点作为开关的关键核心零部件,直接影响到开关的电气性能, 同时也是开关的重要成本因素。 如何正确, 合理的选择触点至关重要! 本文从材料, 工艺, 结构, 成本, 试验和应用等方面进行分析和论证, 希望能给各位在进行开关设计过程中正确、合理地选用触点提供参 考。由于水平所限,不

2、当之处难免,欢迎沟通交流。一,触点材料应具备的特性作为触点材料应该具备以下几个特性, 或者说只要具备以下几个 特性的材料都有可能做触点材料 . 接触电阻小。 . 耐高温氧化。 . 硬度不会太大。 . 耐磨,灭弧性能较好。由此可见真正同时具备以上几种特性的材料并不多, 金和银都具备以 上几个特性, 但是考虑到性价比我们首先选择银作为触点材料, 由于 纯银特性不是很好所以我们通常添加合金以提高特性。 对于纯铜 我们发现具备特性 , 和, 但是不具备特性, 所以不能用作为 触点材料。 目前有在纯铜中添加稀土元素以改善特性, 但是由于市 场原因 (客户认为使用的是廉价铜点 未能在电工开关行业推广应用。

3、二, 常用触点材料及特性目前墙壁开关常用银合金触头材料主要有三种:AgCdO; AgNi和 AgSnO (In ,目前用得最多的是 AgCdO ,占 70%以上份额。银氧化镉 (AgCdO触头材料采用烧结或挤压工艺制成,银氧 化镉内氧化镉质点弥散分布于银基体中,因而增加了材质硬度和 耐磨性能。电触头动作时在电弧作用下,由于温度提高,氧化镉 剧烈分解、蒸发而使电触头表面冷却,降低了电弧能量,从而极 大地改善了电触头的灭弧性能, 净化了触头表面, 减少了电磨损、 提高电寿命并保持低的接触电阻。银氧化镉材料号称万能触头材 料,只是由于环保因素限制了其使用范围(对于其 RoHS 豁免条款详 见后面 。

4、银镍合金 (AgNi电接材料的制成采用先进的烧结、挤压技 术,镍颗粒呈纤维状均匀分布。银镍合金电触头的接触电阻低而 稳定,导电、导热性好,且烧损少、电磨损小而均匀,银镍合金 电触头在直流下开闭时,电触头的材料转移比纯银接点小,特别适用于狭小外壳中通断使用;但银镍合金电触头在通断时由于氧 化物而使电触头接触电阻增高,对硫敏感,大电流下抗熔焊性能 差。银氧化锡 (AgSnO2电触头材料具有优良、 稳定的抗熔焊性能 及良好的耐电弧烧蚀性能。 在电流较大 (5003000A的电流范围内 的条件下,银氧化锡触头有比银氧化镉触点更好的耐电弧烧蚀能 力,在容性负载下,银氧化锡触头比银氧化镉触头、银镍触头明

5、显表现出更优良的抗熔焊性能,在交流阻性负载下,银氧化锡触 头比银氧化镉触点具有稍高的接触电阻 (可采用添加微量的特殊 金属氧化物如氧化铟来保证了它的接触电阻处于允许的范围内 , 但在直流电路的灯 /电机负载 (如汽车继电器 应有场合下, 却表现 出低而稳定的电阻值。三,触点材料的选择对于墙壁开关用触头材料我们通常只推荐用两种材料:银氧 化镉 (AgCdO触头材料和银氧化锡 (AgSnO2触头材料。 它们的材料性能 前面已经描述过。银 氧 化 镉 (AgCdO触 头 材 料 通 常 我 们 会 选 用 AgCdO12和 AgCdO15这两种合金比例。如果 CdO 含量比例越大则接触电阻越 大,而

6、且分断拉弧碳化杂质会更多更明显,加工硬度和加工难度 也越大 .在欧盟 RoHS 豁免指令第 8(b 项中明确指出银氧化镉 (AgCdO触头材料可无限期豁免使用,对于美洲市场等其他国家其触点并无环保要求(有些地区直接套用欧盟 RoHS 指令 ,因此该触头材 料可广泛适用于出口和国内市场(除非客户特别指定要求用某种 材料 。随着 LED 灯等强容性负载的使用越来越多,对于触点抗熔焊 和灭弧性能要求也越来越高。在此我们建议强容性负载用开关的 触点材料采用银氧化锡 (AgSnO2材料,因为银氧化锡触点比银氧 化镉触点表现出更优良的抗熔焊性能。四, 触点的加工工艺目前触点加工多采用冷镦技术加工, 就是将

7、铜和银合金在模具中冷态 挤压成型并结合在一起。 当然也有部分触点采用热态焊接工艺 (如原 奇胜电器公司内有专业焊银房 。 图为冷镦加工设备触点冷镦加工工艺流程如下:冷镦成型 -酸洗去氧化层 -清洗去油污 -抛光去毛刺 -真空退火去内应力 -冷却包装。由于冷镦成型的两种材料形变不同因而存在结合内应力, 所以必 须退火去内应力以确保两种材料的结合强度, 否则容易出现银层开裂 甚至银层脱落。同时退火也可以调整材料硬度以改善铆接性能。 对于银合金材料如果太软或者太硬其加工性能都会变差。如果银合金材料太软, 对于平面型触点就容易出现表面不光滑和 模印, 同时对模具表面损伤也较大, 另外对于平面触点通常我

8、们会调 整为 R40左右的大弧面来避免模印和使得银层表面更光滑。下面为铜线的两种成型演示图: 正常均匀形变(铜线短而粗 不均匀形变(铜线长而细因此我们要尽量避免使用 3.5*1+1.5*L和 4*1+1.5*L这两种规格 的非标触点, 解决办法就是将钉脚直径改为 2.0mm , 即为:3.5*1+2*L和 4*1+2*L.关于触点的铆接工艺触点在铆接过程中银接触面会二次成型。 因此铆接模具表面的形状和 光洁度对触点的银接触面有很大的影响。 我们在很多工厂看到其铆接 模具表面粗糙和脏污, 这会直接影响到触点银接触面的光洁度, 同时 也降低了触点的电气接触性能。五, 触点尺寸的选择1. 触点尺寸的

9、国标标注方式(以铆钉触点为例 : 因此对于墙壁开关用的铆钉触点尺寸标注如下:D*T(S+d*LF 和 D*T(S+d*LR(SR (单位 :mm 。2. 触点脱模角的选择触点脱模角常规推荐有 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 25等。脱模角大小基本不影响到触点的电气性能, 但是脱模 角越大,银面越小;脱模角越大,材料成本越低。考虑到不同客户的 开关结构精度不同和市场对触点银面大小的不同要求, 以及考虑到脱 模角对成本的影响,通常脱模角大小需要同客户协商确定。3. 触点直径大小的选择通过大量实验我们得出以下结论:触点的银层厚度是影响开关寿命的 主要因素。 在开关结构精度保证的前

10、提下触点银面直径的大小对开关 寿命的影响很小。 因此在开关结构精度保证的前提下直径为 3mm 的触 点可以用在额定电流 20A 以内的开关。 但是考虑到大电流开关的结构 误差较大,需要用到大银面触点来补偿结构误差,因此实际中通常 10A 以内的开关选用直径 3mm 触点, 16-20A 开关选用直径 3.5-4mm 触 点 . 当然也有些客户为了市场推广需要选择大直径银点作为卖点。4. 触点接触面弧度的选择理论上开关静触点为平面, 动触点为弧面, 平面和弧面接触为相切点 接触。因此球面弧度大小对于开关电性能影响不大,我们通常选用 R6。 ,R8, R10, R12这几种球面弧度都可以。理论上两

11、个弧面接触也是相切点接触, 因此实际中我们把动触点和静 触点都做成弧面, 大量实验表明这对开关寿命没有影响, 而且这样有 助于触点的标准化(这一点百顺电器值得学习 。但是千万不能把动触点和静触点都做成平面。 理论上只要两个触点面 完全平行就可以做到面接触, 但是实际上因为开关结构误差两个触点 面根本不可能完全平行,一旦不平行两个触点就变成了边缘接触了。 由于触点边缘银层最薄,这样的边缘接触对开关寿命影响极大。 以下为触点面三种接触方式示意图: R/R接触( F/R接触 ( F/F接触 (X5. 触点银层厚度的选择首先探讨一下银层厚度的标注问题下图为触点银层分布图(剖面图 : 由图可见中间 1/

12、2处银层最厚, 越到边缘银层越薄。 其中银面 直径 1/4处银层厚度为 0.122mm (左边和 0.205mm (右边;脚边 (钉头直径 1/4处 银层厚度为 0.068mm (左边 和 0.114mm (右边 .所以我们在标注银层厚度时必须注明是 1/2处, 1/4处或是脚 边的银层厚度。在这里我们建议标注 1/4处银层厚度较为科学,因为如果只标 注 1/2处银层厚度会存在以下加工风险:在冷镦复合过程中正常情况下我们会选择软银线配硬铜线来加 工触点, 这样加工出来的银触点银层分布比较均匀和饱满。 但是一些 不良加工商为了减少银材料的使用量, 在只是满足 1/2处银层厚度要 求的前提下选择硬

13、银线配硬铜线来加工。 由于银线较硬, 所以墩出来 的银点中间 1/2处银层凹入很厚(厚度能够符合客户要求 ,但是银 点 1/4处以及银点边缘银层很薄。实际使用中,中间凹进去的那部分银层是无用的,因为随着触 点银层消耗边上高出的铜基首先接触了, 中间凹进去的银层已经无法 接触到了,此时触点其实已经失效了。以下为两种加工工艺区别示意图: 软银线加工,银层饱满 硬银线加工,银层中间厚边上薄 接下来我们来确定银层厚度要求银层厚度直接影响到开关的电气寿命。 通过大量的实验论证, 在确保 开关结构稳定的前提下额定电流对应的银层厚度建议如下:额定电流 10A 的开关, 1/4处银层厚度必须大于 0.10mm

14、.额定电流 16A 的开关, 1/4处银层厚度必须大于 0.25mm.额定电流 20A 的开关, 1/4处银层厚度必须大于 0.30mm.额定电流 20A 的双极开关, 1/4处银层厚度必须大于 0.25mm.备注:对于 20A 的 DP 开关,由于是 L 和 N 两极同时分断,因此灭弧 时间更短,银层损耗更小,所以银层厚度要求比单极 20A 开关薄。 以 上 银 层 厚 度 选 择 可 以 确 保 开 关 过 国 标 GB 16915.1-2008和 IEC60669的寿命测试要求,同时又保证不会出现过多的品质剩余而导致 成本浪费。6. 经济型开关用触点银层厚度的选择(仅供内部分享 前面第

15、5节确定的银层厚度是为了符合国标及 IEC 标准的寿命测试要 求。 但是实际上很多厂家的经济型开关考虑到成本问题都不会用到这 么厚的银层。在这里我们也认为这是相对安全和可行的市场行为。 下面我们针对银层厚度来评估其市场风险。市场风险包括两个方面:1. 实际使用功能失效或引起投诉的风险。 2. 市场抽查的风险。对于实际使用风险我们评估如下:一般墙壁开关在设计时最小额定电流为 10A 。对于灯控制开关我们在多种环境下评估发现其实际使用电流一 般不会超过 6A , 通常只有 0.52A 。 绝大多数灯控制开关都是用在远 小于额定电流的情况, 所以其实际工作寿命比在额定电流下工作寿命 长很多。对于用在

16、带开关的插座 (如一开五孔 10A 插座, 带开 16A 空调插 座等产品 上面控制大功率电器的开关会不会有问题呢?不会的。 因 为我们的现代电器产品都带有待机 standby 状态, 我们通常是先将电 器产品(如空调,电磁炉等关机之后才关断插座上的控制开关,而 插座上的开关打开时电器也是处在待机状态的, 也就是说插座上的控 制开关其实只是在通断电器的待机状态。由于待机状态时电流很小, 触点甚至基本不会拉弧, 也不会引起银层损耗。 一旦电器开启之后开 关只是起到持续通电的作用,这也不会引起银层损耗。由此可见实际使用中开关持续通电的载流能力和温升性能更为 重要,但这与银层厚度没有关系, 与开关的

17、寿命也没有关系。所以我 们强调一个重要观点就是开关在实际使用中温升比寿命更重要, 往往 因为开关载流能力不够导致温升过高而引起开关烧坏甚至造成着火 等安全隐患。实际中也从来没有出现过因为开关寿命不够引起的客户投诉, 反而更多的是因为开关载流能力不够引起开关熔焊或失效引起的投 诉。当然还有一个原因就是我们的开关属于低值产品,就算用了数 年后因为触点银层消耗完导致的开关失效也不会引起客户投诉的。对于市场抽查风险评估如下:通过对近几年的市场抽查报告分析发现,无论是国抽,省抽或 者是地方抽查,都会把重点放在影响产品安全性能方面的抽查项目上,比如材料的耐热和阻燃性能,防触电保护,开关的通断能力等短 平快

18、的安全检测项目。 由于开关寿命测试周期长, 人力物力消耗较大, 每次抽查面对的样本数量太大,因此针对开关寿命的抽查几率很小。综上所述,实际使用中触点的银层厚度导致的市场风险是很小 的,在此我们对经济型开关用触点银层厚度也做一个推荐如下:额定电流 10A 的开关, 1/2处银层厚度 0.15mm.额定电流 16A 的开关, 1/2处银层厚度 0.25mm.六, 开关的结构,温升,寿命,触点银层厚度四者的关系在这里首先我们要明确几个定义和两个简称:标准中规定的正常操作我们在实际中称为寿命试验。 一个完整的寿命 试验包括了寿命试验前的温升测试, 正常操作过程和寿命试验后的温 升测试。以下我们将寿命试

19、验前的温升简称为:试前温升, 将寿命试 验后的温升简称为:试后温升。1. 触点银层厚度与试前温升无关对于一个全新的开关,其温升只是反映了开关的载流能力,温 升测试合格说明开关的载流能力设计合理。 温升是一个静态指标, 做 温升测试时开关是处于常通状态的。 触点的银层厚薄不会影响到触点 的接触性能, 因此一个全新的开关的温升与触点的银层厚度没有任何 关系,也就是说触点的银层厚度不会影响到试前的温升。2. 触点银层厚度与试后温升有关。标准规定开关做完寿命试验后还要做温升测试,此时银层厚度 就直接影响到开关温升结果了。 如果银层太薄, 寿命试验结束后触点 表面已无银层, 触点表面露铜已经氧化, 那么

20、温升就会偏高甚至导致 开关熔焊失效。3.开关结构直接影响到试前温升开关的结构设计直接影响到开关的载流能力,从而会影响到温 升。影响载流能力 (温升 的因素有:a. 端子大小; b. 连接片截面积; c. 跷板截面积; d. 动静触点间接触性能; e. 跷板与承托片的接触性能, f. 载流五金件的电阻率和硬度。我们在试验中发现经常会因为 d 和 e 的原因导致开关温升偏高。 而 d 和 e 取决于开关的结构设计。一个开关里面一般有 2个电流瓶颈:一个是动静触点之间的接 触, 一个是跷板和承托片之间的接触。 他们对开关的电气性能影响都 很大, 都会影响开关的温升和寿命。 通过对寿命试验后的不合格样

21、品 分析我们基本可以判断是哪个瓶颈导致的不合格。 如果支撑片烧蚀碳 化发黑严重, 那么可能是支撑片和跷板的材料或接触压力有问题。 如 果触点烧蚀碳化发黑严重则可能是触点材料或接触压力有问题。 如果 触点单边烧蚀严重,则应该是动静触点对位有问题。4. 开关试前温升与寿命试验的关系由第 3点我们知道开关试前温升可以反映出开关结构问题 . 如果 开关试前温升偏高, 说明了开关结构有问题, 这样也会影响到寿命试验的结果。 在此我们建议:如果试前温升偏高那么我们要首先要调整 开关结构,直到达到合理的温升值后再进行寿命试验。下面是我们推荐的开关试前温升值:额定电流 10A 的开关,开关试前的温升值控制在

22、20K 以内 .额定电流 16A 的开关,开关试前的温升值控制在 25K 以内。5. 开关结构直接影响开关寿命如果触点间正压力不够, 那么在寿命试验过程中会出现严重的拉 弧, 容易导致触点过烧。 如果跷板与承托片材料太硬会造成跷板与承 托片的磨合较差,结果导致寿命试验过程中温升过高而使开关失效。 还有开关跷板的翻转角度等因素也会影响到开关寿命。在这里我们专门探讨一下开关的弹跳性能对开关寿命的影响。 开 关弹跳性能主要是指开关的闭合弹跳性能。 因为开关在闭合接通时不 是一次性闭合接通的, 因为弹性机构的特性触点会反复回弹多次后才 最终稳定闭合下来。 由于触点回弹间距很小,达不到灭弧距离,因此 我们认为整个回弹过程中触点是持续闪弧的。 这对触点造成很大的损 耗,严重的甚至会因为瞬态温度过高而直接导致触点熔焊失效 (对于 抗灭弧性能差的触点材料比如 AgNi10则更容易熔焊 。以下是我们对某品牌的各系列产品做的一个弹跳对