Materiał zestyków w przekaźniku - jakie ma znaczenie?

Materiały styków w przekaźnikach dużej mocy

Fot. 1. Płaski przekaźnik do montażu na PCB

Załączanie napięcia sieciowego aż do 50 A za pomocą przekaźników przemysłowych jest oczywiście możliwe, niemniej z reguły prądy o większym natężeniu są już domeną styczników. Podstawowymi materiałami styków używanymi w przekaźnikach na znamionowy prąd rzędu od 5 do 50 A są najczęściej stopy i materiały: srebro-nikiel, srebro-tlenek kadmu i srebro-tlenek cyny.

Stop srebro-nikiel jest używany w przekaźnikach praktycznie od zawsze. Stosunkowo niewielka zawartość niklu (10%) służy mechanicznemu utwardzeniu srebra i zapewnia wzrost odporności na erozję powierzchni kontaktowych, dzięki czemu stają się bardziej wytrzymałe przy większych obciążeniach.

Jest to idealne rozwiązanie do obciążeń o charakterze rezystancyjnym, aplikacji działających przy pełnym nominalnym prądzie zestyku i dla obciążeń innego typu, gdzie załączany prąd nie jest tak wysoki. Jest to ekonomiczny i dobrze sprawdzający się materiał ogólnego stosowania, bardzo często używany jako materiał dla wielu przekaźników mocy. Przykładem produktów ze stykami srebro-nikiel jest seria 34 firmy Finder. Jest to przekaźnik w wykonaniu płaskim do montażu na PCB.

Srebro z dodatkiem tlenku kadmu jest materiałem popularnym na rynku od ok. 50 lat, szczególnie z uwagi na bardzo dobre właściwości przy załączaniu obciążeń indukcyjnych. Erozja materiału stykowego jest tutaj zmniejszona, materiał ten ma też wyższą odporność na zgrzanie styku w przypadku wystąpienia krótkich pików prądów rozruchu, które są skutkiem załączania oświetlenia żarowego i silników.

Mimo że zawartość kadmu jest bardzo mała, a dodatkowo tlenek jest dobrze związany ze srebrem i nie stanowi zagrożenia dla środowiska, jego stosowanie zostało ograniczone przez dyrektywę RoHS. W jej pierwszej edycji kadm został całkowicie zakazany, ale późniejsza nowelizacja dopuściła jego użycie właśnie w stykach elektrycznych.

Dyrektywa RoHS II nadal podtrzymuje możliwość użycia tlenku kadmu w stykach, przez co do lipca 2024 może on być wykorzystywany w elementach używanych w systemach monitoringu przemysłowego i sterowania. Srebro i tlenek cyny to stosunkowo nowy materiał będący spiekiem wysokociśnieniowym.

Cząstki tlenku mają wielkość poniżej 1 µm, są równomierne rozpraszane w sproszkowanym srebrze i w końcu wysokociśnieniowo formowane na kształt elementów stykowych. Nie jest to proces prosty, wymaga drobiazgowej kontroli i dawniej zdarzało się, że jakość tych spiekanych materiałów nie zawsze była wystarczająco dobra.

Jednak dzisiaj na elementach ze stykami z wysokiej jakości AgSnO₂ można polegać. Zapewniają one wysoką odporność na duże szczytowe prądy rozruchowe spowodowane przede wszystkim obecnością w instalacji kondensatorów do korekcji współczynnika mocy. Elementy te są częścią opraw świetlówek i innych lamp wyładowczych oraz obwodów zasilających współczesne lampy energooszczędne CCFL lub LED.

W dużych instalacjach oświetleniowych kondensatory te są połączone ze sobą równolegle, a kiloamperowe prądy chwilowe podczas włączania są ograniczone jedynie przez impedancję linii zasilającej. Podobnej wartości prądy rozruchowe występują przy włączaniu zasilaczy impulsowych i napędów silników. Takie przeciążenia prowadzą do zgrzania styków, co było dawniej dużym problemem w takich aplikacjach. Zmiana przekaźników na wersje z AgSnO₂ eliminowała ten problem.

Niezawodne przełączanie obciążeń sygnałowych

Fot. 2. Styki przekaźnika pokazujące efekty ciężkiego przeciążenia prądowego z powodu niewłaściwego użytkowania

W aplikacjach sygnałowych (niskie napięcia, małe prądy) zmartwieniem projektanta jest to, żeby styki stworzyły niezawodne połączenie o niskiej rezystancji. Z uwagi na brak możliwości samooczyszczania się materiału przy niskich napięciach i małych prądach trudniej uzyskać dobre stabilne połączenie, nawet gdy producent zapewni duży nacisk styków i odpowiednią czystość montażu przy produkcji.

W takich aplikacjach powinno się unikać przekaźników z materiałami przeznaczonymi do załączania obwodów prądowych, ponieważ cechy, które sprawiły, że były świetnymi przekaźnikami mocy, sprawiają, że będą one zawodne przy przełączaniu małych prądów. Do takich celów najlepsze są przekaźniki ze złoconymi stykami. Powłoka złota musi mieć znaczącą grubość, bo cienka warstwa przetrze się mechanicznie po kilku tysiącach operacji.

Typowo przekaźnik 16 A Findera ma zdefiniowane minimalne przełączane obciążenie na poziomie 10 V/10 mA/ 1000 mW, co dla przekaźnika zaprojektowanego do przełączania obciążeń do 4 kW nie jest złym wynikiem. Specyfikacja oznacza, że wszystkie trzy minimalne wartości powinny być spełnione jednocześnie.

Przekaźnik ze średniego zakresu mocy 7 A ze stykami AgNi ma minimalne wartości przełączania 5 V/5 mA/ 300 mW. Taki przekaźnik można również zamówić ze złoconymi stykami, wtedy wartości minimalne będą 5 V/2 mA/50 mW.

Jeśli trzeba będzie pewnie przełączać niższe napięcia, należy zastosować styki połączone równolegle. To znacznie obniża obciążenie minimalne przełączania - dwa równoległe pozłacane styki dają obciążenie minimalne 0,1 V/1 mA/1 mW. Jest to korzystne rozwiązanie, także z uwagi na wyższą niezawodność.

Finder Polska Sp. z o.o.
www.findernet.com