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触点选用详解罗宣果何均匀2013.11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,长期从事产品测试、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如何正确、合理地选择触点提供参考。由于水平所限,不当之处难免,欢迎沟通交流。一,

2、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成为触点材料。.具有低的电阻率和低的电阻温度系数,接触电阻要小。.具有高的热导率以及高的熔点,耐高温氧化和化学腐蚀。.具有适当的硬度和良好的加工性能。. 耐磨性,灭弧性能较好。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

3、行业推广应用。二、常用触点材料及特性目前墙壁开关常用银合金触点材料主要有三种:AgCdO; AgNi和AgSnO(In,目前用得最多的是AgCdO,占70%以上。银氧化镉(AgCdO触点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,提高了电寿命并保持较低的接触电阻。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豁免条款详见后述。银镍合金(AgNi触点材料

4、的制成也是采用先进的烧结、挤压技术,镍颗粒呈纤维状均匀分布。银镍合金电接点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,银镍合金电接点在直流下开闭时,电接点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。但银镍合金电接点在通断时由于氧化物而使电接点接触电阻增高,对硫敏感,大电流下抗熔焊性能差。银氧化锡(AgSnO2触点材料具有优良、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,银氧化锡触点有比银氧化镉触点更好的耐电弧烧蚀能力,在容性负载下,银氧化锡触点比银氧化镉触点、银镍合金触点明显表现出更优良的抗熔焊性能;在交流阻性负载下,银

5、氧化锡触点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(如汽车继电器应用场合,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点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。由于AgNi材料的抗熔焊等电气性能较差在此我们不做推荐使用。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

6、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,因此该触点材料可广泛适用于出口和国内市场(对于客户指定要求除外。随着LED灯等强容性负载的使用越来越多,对触点的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。冷镦加工设备见下图: 图1 冷

7、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。对于较硬的银合金材料如AgSnO2,由于材料太硬,对模具硬度要求也较高,通常我们会采用

8、合金模具来加工,所以加工成本比较高。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(铜线长而细因此实际中我们要尽量避免使用3.5*1+1.5*L和4*1+1.5*L等规格的非标触点,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。对于钉头厚度大于1mm的规格也尽量避免使用。五、触点的铆接工艺问题触点在铆接过程中银接触面一般会二次成型。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,也降低了触点的电气接触性能(会导致试前温升偏高或初始接触电阻偏高。另外铆

9、接模具的表面弧度也应该与原触点银面弧度一致。六、触点尺寸的选择1. 触点尺寸的国标标注方式(以铆钉触点为例: 由此可见,一个触点有7个关键尺寸。对于墙壁开关用铆钉触点,尺寸标注应该如下所示:2. 触点脱模角的选择触点脱模角常规有7°、9°、11°、13°、15°、17°、19°、25°等。脱模角大小基本不影响到触点的电性能,但是,脱模角越大,银面越小,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要求不同,以及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

10、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提下,触点银面直径的大小对开关性能的影响很小。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. 触点银接触面弧度的选择理论上,开关静触头为平面,动触头为弧面,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、

11、R8、R10、R12这几种球面弧度。理论上两个弧面接触也是相切点接触,因此实际中我们把动触头和静触头都做成弧面,大量实验表明这对开关电性能没有影响,而且这样有助于触头的标准化。但是,千万不能把动触头和静触头都做成平面。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。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。以下为三种接触方式的图示: 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剖面图: 由图可见,中间1/2处银层最厚,越到

12、边缘银层越薄。图中银面直径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。在此我们建议: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,这样加工出来的银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,在满足1/2处银层厚度要求的前提下选择硬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

13、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,因为随着触点银层不断消耗,边上高出的铜基首先接触,而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。以下为两种加工工艺区别图示: 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.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0.30

14、mm.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GB16915.1-2003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(仅供内部参考前面第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因素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

15、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,银层损耗较小,所以其实际工作寿命比在额定电流下工作长很多。对于用在带开关的插座(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开关,而插座上的开

16、关打开时电器也是处在待机状态的,也就是说插座上的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

17、开关属于低值产品,就算用了数年后因为开关寿命导致的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.

18、25mm.七、开关的结构、触点银层厚度与温升、寿命之间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”我们通常称之为“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,温升测试合格说明开关的载流能力设计合理和接触良好。首先温升是一个静态指标,做温升测试时开关处于常通状态的,没有分断动作也就没有拉弧烧蚀,因此考核不到银层厚度;其次触点的银层厚薄不会影响到触点的接触性能,即使银层再薄只要接触良好就

19、不影响温升,因此试前温升与触点的银层厚度没有任何关系。其实就算两个触点是紫铜点,只要表面没有氧化和脏污,保持正常良好的接触和压力,就不会影响到温升结果。由此也可以得出结论就是试前温升完全不考核触点,同触点本身没有任何关系。如果试前温升偏高我们首先要分析结构是否有问题,包括初始结构设计不良和装配工艺不良以及部件加工不良而引起的接触不良。当然也要考虑触点表面氧化或脏污引起的接触不良,对于这种不良我们通常建议先将样品带载通断数十次后再做试前温升。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

20、银层,触点表面露铜已经氧化,那么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的原因导致开关试前温升偏高,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品分析我们基本可以判断是

21、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(备注:黄铜,磷铜和紫铜的导电特性和磨合特性或接触压力有问题。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。在这里顺便提点建议。我们发现很多工厂只尊重测试结果,不重视试后样品的分析和测试结果的分析,往往是改一点就测一次。这种结果导致工厂成天忙于测试,浪费大量人力和电费(备注。我们认为如果只看测试结果,不注重分析,增加再多测试工位都是不够的。如果我们在做测试前搞清楚每个变量,针对性的对单一变量做测试,试后认真分析样品和测试结果,很多问题不用通过进一步测试就可

22、以下结论了。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,那么我们要首先要检查和调整开关结构,直到达到合理的温升值后再进行寿命试验。当然这也并非说试前温升偏高寿命测试就一定不通过,以下两种情况导致的试前温升偏高就不影响到寿命结果:零部件加工披锋和毛刺会影响到试前温升,但是在寿命过程中会很快烧蚀磨合(较大的披锋和毛刺除外,这种就属于前面提到的部件加工不良了;触点表面氧化或脏污也会影响到试前温升,但是开关带载通断过程中因为拉弧很快就把触点表面清洁干净了。

23、因此我们建议被试样品最好带载通断几十次之后再做试前温升更有效。下面是我们推荐的开关试前温升值:额定电流10A的开关,试前温升值控制在20K以内.额定电流16A的开关,试前温升值控制在25K以内。5. 开关结构直接影响到开关寿命结果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。如果跷板与承托片之间正压力不够以及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。另外开关跷板的翻转角度直接影响到触点间和承托片与翘板间的分力比也会影响到寿命试验结果。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

24、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比试验,供大家参考。 弹跳测试图例附:开关弹跳试验分析报告为了建立更全面的开关性能评价体系,我们引入了开关闭合弹跳比对分析测试,通过比对各系列开关机械性能优劣,从而对产品结构改进提供专业数据支持。一、弹跳测试方法1.仪器设备:开关弹跳测试

25、分析仪。2.测试原理:开关在闭合瞬间会有弹跳产生,我们利用数据采集器的预触发和存储功能将开关闭合瞬间的弹跳过程捕捉并存储在电脑显示器上,通过读取电脑显示器上的波形来分析开关的闭合弹跳时间,弹跳次数,弹跳幅度等信息。二、测试数据:见下表(按产品系列分类弹跳时间(单位:ms产品型号第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次平均弹跳时间(msA68K31 #1(左按钮 1.92 2.04 2.54 2.32 1.73 2.02 2.01 2.06 A68K31 #1(中按钮 2.51 4.23 4.27 3.45 2.41 3.16 3.76 3.42 A68K31 #1(右按钮 2.06 0.70

26、 0.98 0.48 1.86 2.28 2.41 1.58 A68K31 #2(左按钮 2.04 1.97 2.01 1.75 1.79 2.11 2.75 1.98 A68K31 #2(中按钮 2.10 2.22 2.28 2.37 3.12 2.45 2.06 2.28 A68K31 #2(右按钮 2.60 2.92 2.71 2.90 2.52 2.89 2.04 2.72A68K11 #1 3.10 5.25 4.24 4.59 3.79 2.60 3.54 3.85 A68K11 #2 1.82 1.57 1.89 1.90 1.45 1.82 2.88 1.80A68K11 #3

27、 3.07 3.60 3.18 3.05 2.73 3.47 2.34 3.10 B08K21 #1(左按钮 1.61 1.02 1.23 1.18 1.61 1.12 1.43 1.31 B08K21 #2(左按钮 1.31 1.51 1.49 1.56 1.60 1.60 1.52 1.54 B09K41 #1 1.00 0.94 0.97 1.07 1.76 1.06 0.94 1.01 B09K41 #2 0.75 0.65 0.83 0.76 0.77 1.00 0.82 0.79C06K12 1.38 1.35 0.85 1.27 1.23 1.03 1.25 1.23 C08K4

28、1 #1L1-L11 0.63 0.88 1.33 1.43 0.71 0.69 1.44 1.01 C08K41 #1L2-L21 1.65 1.49 1.69 1.71 1.45 1.56 1.64 1.61 C08K41 #2L1-L11 1.42 1.63 1.57 1.12 1.24 1.06 1.42 1.35 C08K41 #2L2-L21 1.32 1.31 1.92 1.67 2.32 1.08 1.25 1.49 C08K31 L1-L111.11 1.46 1.10 1.24 1.29 1.27 1.31 1.24 C08K31 L3-L311.55 1.83 1.842

29、.00 1.80 1.60 1.74 1.76 C08K21L1-L11 1.86 2.02 2.69 1.89 1.79 2.61 2.26 2.13L2-L21 1.90 2.46 1.68 1.80 2.54 2.14 2.56 2.17注:平均弹跳时间计算方法:去掉最高值和最低值,余下5个数值取平均值。弹跳次数(单位:次产品型号第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次平均弹跳次数A68K31 #1(左按钮 25 10 15 11 15 12 15 14A68K31 #1(中按钮10 30 26 18 18 19 20 20A68K31 #1(右按钮 11 9 9 8 7 13 10

30、9A68K31 #2(左按钮 10 12 8 9 18 13 12 11A68K31 #2(中按钮 23 15 15 19 18 18 17 17A68K31 #2(右按钮 4 3 4 4 4 5 7 4A68K11 #1 14 18 14 12 18 10 15 12A68K11 #2 10 6 9 6 4 10 5 7A68K11 #3 17 22 29 12 8 10 19 16B08K21 #1(左按钮 7 3 4 6 7 6 6 6B08K21 #2(左按钮 9 9 7 6 7 6 4 7B09K41 #1 7 8 6 10 21 8 8 10B09K41 #2 19 10 10 1

31、3 14 5 10 11C06K12 18 18 12 24 22 16 19 19C08K41 #1L1-L11 4 6 6 7 5 6 6 6C08K41 #1L2-L21 11 12 10 4 3 3 6 7C08K41 #2L1-L11 6 13 5 8 6 8 8 7C08K41 #2L2-L21 7 4 6 8 7 6 9 6C08K31 L1-L11610 2 5 6 4 6 5C08K31 L3-L31917 1 2 2 1 2 3C08K21L1-L11 3 13 8 17 4 7 6 8L2-L21 6 7 4 4 5 5 6 5注:平均弹跳次数计算方法:去掉最高值和最低值,余下5个数值取平均值。三、数据分析综合以上数据分析得出:1、A68产品弹跳持续时间最长,C08、B08次之, B09最短。2、A68产品弹跳次数最多,B09、C06次之,C08、B08最少。四、结论A68产品弹跳持续时间