----接觸,對導體(ti) 件呈現的電阻成為(wei) 接觸電阻。
一般要求接觸電阻在10-20 mohm以下。 有的開關(guan) 則要求在100-500uohm以下。有些電路對接觸電阻的變化很敏感。 應該指出, 開關(guan) 的接觸電阻是在開關(guan) 在若幹次的接觸中的所允許的接觸電阻的最大值。
Contact Area 接觸電阻
在電路板上是專(zhuan) 指金手指與(yu) 連接器之接觸點,當電流通過時所呈現的電阻之謂。為(wei) 了減少金屬表麵氧化物的生成,通常陽性的金手指部份,及連接器的陰性卡夾子皆需鍍以金屬,以抑抵其“接載電阻”的發生。其他電器品的插頭擠入插座中,或導針與(yu) 其接座間也都有接觸電阻存在。
作用原理
在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表麵,盡管鍍金層十分光滑,則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會(hui) 看到插合的一對接觸件的接觸,並不整個(ge) 接觸麵的接觸,而是散布在接觸麵上一些點的接觸。實際接觸麵必然小於(yu) 理論接觸麵。根據表麵光滑程度及接觸壓力大小,兩(liang) 者差距有的可達幾千倍。實際接觸麵可分為(wei) 兩(liang) 部分;一是真正金屬與(yu) 金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點,亦稱接觸斑點,它是由接觸壓力或熱作用破壞界麵膜後形成的。部分約占實際接觸麵積的5-10%。二是通過接觸界麵汙染薄膜後相互接觸的部分。因為(wei) 任何金屬都有返回原氧化物狀態的傾(qing) 向。實際上,在大氣中不存在真正潔淨的金屬表麵,即使很潔淨的金屬表麵,一旦暴露在大氣中,便會(hui) 很快生成幾微米的初期氧化膜層。例如銅隻要2-3分鍾,鎳約30分鍾,鋁僅(jin) 需2-3秒鍾,其表麵便可形成厚度約2微米的氧化膜層。即使特別穩定的貴金屬金,由於(yu) 它的表麵能較高,其表麵也會(hui) 形成一層有機氣體(ti) 吸附膜。此外,大氣中的塵埃等也會(hui) 在接觸件表麵形成沉積膜。因而,從(cong) 微觀分析任何接觸麵都是一個(ge) 汙染麵。
綜上所述,真正接觸電阻應由以下幾部分組成;
1) 集中電阻
電流通過實際接觸麵時,由於(yu) 電流線收縮(或稱集中)顯示出來的電阻。將其稱為(wei) 集中電阻或收縮電阻。
2) 膜層電阻
由於(yu) 接觸表麵膜層及其他汙染物所構成的膜層電阻。從(cong) 接觸表麵狀態分析;表麵汙染膜可分為(wei) 較堅實的薄膜層和較鬆散的雜質汙染層。故確切地說,也可把膜層電阻稱為(wei) 界麵電阻。
3) 導體(ti) 電阻
實際測量電連接器接觸件的接觸電阻時,都是在接點引出端進行的,故實際測得的接觸電阻還包含接觸表麵以外接觸件和引出導線本身的導體(ti) 電阻。導體(ti) 電阻主要取決(jue) 於(yu) 金屬材料本身的導電性能,它與(yu) 周圍環境溫度的關(guan) 係可用溫度係數來表征。
為(wei) 便於(yu) 區分,將集中電阻加上膜層電阻稱為(wei) 真實接觸電阻。而將實際測得包含有導體(ti) 電阻的稱為(wei) 總接觸電阻。
在實際測量接觸電阻時,常使用按開爾文電橋四端子法原理設計的接觸電阻測試儀(yi) (毫歐計),其專(zhuan) 用夾具夾在被測接觸件端接部位兩(liang) 端,故實際測量的總接觸電阻R由以下三部分組成,可由下式表示:
R= RC + Rf + Rp,式中:RC—集中電阻;Rf—膜層電阻;Rp—導體(ti) 電阻。
接觸電阻檢驗目的是確定電流流經接觸件的接觸表麵的電觸點時產(chan) 生的電阻。如果有大電流通過高阻觸點時,就可能產(chan) 生過分的能量消耗,並使觸點產(chan) 生危險的過熱現象。在很多應用中要求接觸電阻低且穩定,以使觸點上的電壓降不致影響電路狀況的精度。
測量接觸電阻除用毫歐計外,也可用伏-安計法,安培-電位計法。
在連接微弱信號電路中,設定的測試數條件對接觸電阻檢測結果有一定影響。因為(wei) 接觸表麵會(hui) 附有氧化層,油汙或其他汙染物,兩(liang) 接觸件表麵會(hui) 產(chan) 生膜層電阻。由於(yu) 膜層為(wei) 不良導體(ti) ,隨膜層厚度增加,接觸電阻會(hui) 迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會(hui) 機械擊穿,或在高電壓、大電流下會(hui) 發生電擊穿。但對某些小型連接器設計的接觸壓力很小,工作電流電壓僅(jin) 為(wei) mA和mV級,膜層電阻不易被擊穿,接觸電阻增大可能影響電信號的傳(chuan) 輸。
在GB5095“電子設備用機電元件基本試驗規程及測量方法” 中的接觸電阻測試方法之一,“接觸電阻-毫伏法” 規定,為(wei) 防止接觸件上膜層被擊穿,測試回路交流或直流的開路峰值電壓應不大於(yu) 20mV,交流或直流的測試中電流應不大於(yu) 100mA。
在GJB1217“電連接器試驗方法” 中規定有“低電平接觸電阻” 和“接觸電阻” 兩(liang) 種試驗方法。其中低電平接觸電阻試驗方法基本內(nei) 容與(yu) 上述GB5095中的接觸電阻-毫伏法相同。目的是評定接觸件在加上不改變物理的接觸表麵或不改變可能存在的不導電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗電壓不超過20mV,試驗電流應限製在100mA。在這一電平下的性能足以表現在低電平電激勵下的接觸界麵的性能。而接觸電阻試驗方法目的是測量通過規定電流的一對插合接觸件兩(liang) 端或接觸件與(yu) 測量規之間的電阻。通常采用這一試驗方法施加的規定電流要比前一種試驗方法大得多。如軍(jun) 標GJB101“小圓形快速分離耐環境電連接器總規範”中規定;測量時電流為(wei) 1A,接觸對串聯後,測量每對接觸對的電壓降,取其平均值換算成接觸電阻值。
影響因素
主要受接觸件材料、正壓力、表麵狀態、使用電壓和電流等因素影響。
1) 接觸件材料
電連接器技術條件對不同材質製作的同規格插配接觸件,規定了不同的接觸電阻考核指標。如小圓形快速分離耐環境電連接器總規範GJB101-86規定,直徑為(wei) 1mm的插配接觸件接觸電阻,銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。
2) 正壓力
接觸件的正壓力是指彼此接觸的表麵產(chan) 生並垂直於(yu) 接觸表麵的力。隨正壓力增加,接觸微點數量及麵積也逐漸增加,同時接觸微點從(cong) 彈性變形過渡到塑性變形。由於(yu) 集中電阻逐漸減小,而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決(jue) 於(yu) 接觸件的幾何形狀和材料性能。
3) 表麵狀態
接觸件表麵一是由於(yu) 塵埃、鬆香、油汙等在接點表麵機械附著沉積形成的較鬆散的表膜,這層表膜由於(yu) 帶有微粒物質極易嵌藏在接觸表麵的微觀凹坑處,使接觸麵積縮小,接觸電阻增大,且極不穩定。二是由於(yu) 物理吸附及化學吸附所形成的汙染膜,對金屬表麵主要是化學吸附,它是在物理吸附後伴隨電子遷移而產(chan) 生的。故對一些高可靠性要求的產(chan) 品,如航天用電連接器必須要有潔淨的裝配生產(chan) 環境條件,完善的清洗工藝及必要的結構密封措施,使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環境條件。
4) 使用電壓
使用電壓達到一定閾值,會(hui) 使接觸件膜層被擊穿,而使接觸電阻迅速下降。但由於(yu) 熱效應加速了膜層附近區域的化學反應,對膜層有一定的修複作用。於(yu) 是阻值呈現非線性。在閾值電壓附近,電壓降的微小波動會(hui) 引起電流可能二十倍或幾十倍範圍內(nei) 變化。使接觸電阻發生很大變化,不了解這種非線***,就會(hui) 在測試和使用接觸件時產(chan) 生錯誤。
5) 電流
當電流超過一定值時,接觸件界麵微小點處通電後產(chan) 生的焦耳熱()作用而使金屬軟化或熔化,會(hui) 對集中電阻產(chan) 生影響,隨之降低接觸電阻。
問題研討
1) 低電平接觸電阻檢驗
考慮到接觸件膜層在高接觸壓力下會(hui) 發生機械擊穿或在高電壓、大電流下會(hui) 發生電擊穿。對某些小體(ti) 積的連接器設計的接觸壓力相當小,使用場合僅(jin) 為(wei) mV或mA級,膜層電阻不易被擊穿,可能影響電信號的傳(chuan) 輸。故國軍(jun) 標GJB1217-91電連接器試驗方法中規定了兩(liang) 種試驗方法。即低電平接觸電阻試驗方法和接觸電阻試驗方法。其中低電平接觸電阻試驗目的是評定接觸件在加上不能改變物理的接觸表麵或不改變可能存在的不導電氧化簿膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗電壓不超過20mV,而試驗電流應限製在100mA,在這一電平下的性能足以滿足以表現在低電平電激勵下的接觸界麵的性能。而接觸電阻試驗目的是測量通過規定電流的一對插合接觸件兩(liang) 端或接觸件與(yu) 測量規之間的電阻,而此規定電流要比前者大得多,通常規定為(wei) 1A。
2) 單孔分離力檢驗
為(wei) 確保接觸件插合接觸可靠,保持穩定的正壓力是關(guan) 鍵。正壓力是接觸壓力的一種直接指標,明顯影響接觸電阻。但鑒於(yu) 接觸件插合狀態的正壓力很難測量,故一般用測量插合狀態的接觸件由靜止變為(wei) 運動的單孔分離力來表征插針與(yu) 插孔正在接觸。通常電連接器技術條件規定的分離力要求是用實驗方法確定的,其理論值可用下式表達。
F=FN·μ
式中FN為(wei) 正壓力, μ為(wei) 摩擦係數。
由於(yu) 分離力受正壓力和摩擦係數兩(liang) 者製約。故決(jue) 不能認為(wei) 分離力大,就正壓力大接觸可靠。現在隨著接觸件製作精度和表麵鍍層質量的提高,將分離力控製在一個(ge) 恰當的水平上即可保證接觸可靠。作者在實踐中發現,單孔分離力過小,在受振動衝(chong) 擊載荷時有可能造成信號瞬斷。用測單孔分離力評定接觸可靠性比測接觸電阻有效。因為(wei) 在實際檢驗中接觸電阻件很少出現不合格,單孔分離力偏低超差的插孔,測量接觸電阻往往仍合格。
3) 接觸電阻檢驗合格不等於(yu) 接觸可靠。
在許多實際使用場合,汽車、摩托車、火車、動力機械、自動化儀(yi) 器以及航空、航天、船舶等軍(jun) 用連接器,往往都是在動態振動環境下使用。實驗證明僅(jin) 用檢驗靜態接觸電阻是否合格,並不能保證動態環境下使用接觸可靠。往往接觸電阻合格的連接器在進行振動、衝(chong) 擊、離心等模擬環境試驗時仍出現瞬間斷電現象。故對一些高可靠性要求的連接器,許多設計員都提出最好能100%對其進行動態振動試驗來考核接觸可靠性。