墻壁開關銀點接觸壓力與溫升的關系研究

邱 軍 彭美南

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

在使用室內開關時候，國家標委會為了保障使用者的財產和生命安全，特在國標GB/T 16915.1 的17.1 章節中規定：“開關的結構應能保證正常使用時溫升不會超過規定值”、“端子的溫升不應超過45 K”。引起開關端子溫升的因素有很多，其中開關內部蹺板銀點與連接片銀點之間的接觸壓力與接觸電阻是引起溫升的主要因素之一。

本文旨在通過試驗設計，試驗數據收集與分析，找出開關銀點之間接觸壓力與溫升的對應變化趨勢，得出合理的接觸壓力設計范圍，為以后墻壁開關結構設計提供參考依據和建議。

1 試驗設計

1.1 開關溫升過高的危害

家用墻壁開關的作用是連通或斷開電路中的電流，從而控制電器的工作狀態。如果開關在使用過程中溫升過高，開關中塑膠件變形，不能有效固定開關中載流部件，造成開關常通或常斷，開關功能失效，很容易造成開關控制的電器不能正常使用，甚至引起火災。

1.2 現有家用開關結構

現有家用開關主要是蹺板式結構，主要由圖1中的零件組成。

圖1 蹺板式開關基本結構圖

用戶分別按壓過渡件左、右兩端，驅使過渡件繞旋轉軸左、右擺動，彈子和彈簧安裝在過渡件盲孔中，彈簧可以在盲孔中自由伸縮，彈子可以沿軸線自由移動，彈子隨過渡件的左、右擺動在蹺板上左、右滑動，從而帶動蹺板繞旋轉軸左、右翻轉，蹺板翻轉過程中，蹺板上的銀點與連接片上的銀點由分離狀態變為接觸狀態，交替變化，從而控制電路中的電流斷開或接通。

1.3 引起開關溫升的原因

引起開關溫升的原因有很多種，但根本原因是開關在通電狀況下額外產生了超出開關所能承受的熱量；通電電路中熱量的計算公式如下：

式中：

Q—電路產生的熱量（J）；

I—電路的電流（A）；

R—電路的電阻（Ω）；

t—通電時間（s）。

電路中的電流取決于供電系統，通電時間是測試值，二者都是不可調的，所以 電路中產生的熱量大小主要是由電路中的電阻決定的；電路中的電阻主要由兩部分組成：

式中：

R—電路中的總電阻；

R1—載流部件的內阻；

R2—銀點與銀點間的接觸電阻。

根據電阻定律（導體的電阻R 跟導體的長度L、電阻率ρ 成正比,跟導體的橫截面積S 成反比）可知：載流部件的內阻R1 取決于載流部件的材質、長度和橫截面的大小。常用金屬材料的電阻率如表1。

表1 常用金屬材料電阻率表

銀材的電阻率比較小，使用銀材作為開關內部載流部件，可以有效的減少電路中的電阻，降低電路的溫升，但是銀材屬于貴金屬材料，價格昂貴，在家用開關中無法大面積使用；銅材的電阻率和銀材的電阻率比較接近，并且價格低廉，非常適合作為電路的載流部件，目前家用開關都是采用銅材作為內部載流部件。

載流部件的內阻基本上是可控的。根據產品的使用場景、適用的電流大小，選擇合適的材料，合適的載流面積，可以準確的控制載流部件內阻產生的熱量，從而控制溫升大小。

開關的核心零部件是蹺板，它是一個運動部件，承接著斷開與接通電路中電流的工作，在電路需要斷開時，蹺板需要與連接片快速分離，在電路需要接通時，蹺板需要與連接片有效的接觸，并且接觸電阻越小越好；因此蹺板與連接片接觸處，分別用銀點與蹺板、連接鉚接成一體，蹺板與連接片的接觸轉變成銀點與銀點之間的接觸，進一步降低兩個接觸件本體的內阻。

當銀點與銀點接觸時，二者之間還存在接觸電阻R2比，接觸電阻是一個復雜組成，主要由兩部分組成：

式中：

R2—銀點與銀點間的接觸電阻；

Ra—接觸件間的膜電阻；

Rb—接觸面的收縮電阻。

銀點的表面可能被一些物質（如氧化物、塵埃、靜電吸附物）覆蓋，形成一層薄膜，不同的金屬材料在不同的環境下會生出各種不同的表面膜，有些表面膜電阻較小，有些表面膜電阻很大；這層薄膜的電阻稱之為膜電阻Ra；但是這些表面膜厚度都很薄，當觸頭壓力增大時，可以壓碎氧化膜，使觸頭的金屬材料直接接觸，從而使表面電阻顯著下降。

蹺板銀點與連接片銀點接觸時，理論上是面與面的接觸，但是零件加工時，采用不同的加工方式，表面粗糙度也不同，實際上是很多斑點接觸，實際的接觸面積減小，電流從一個銀點流向另外一個銀點，必須經過這些斑點，電流線在經過接觸面上的斑點時，發生了收縮，形成收縮電阻Rb；如圖2影響收縮電阻大小的主要因素是接觸點的數量和每個接觸點面積的大小；而增加接觸壓力可以增加接觸點的數量，同時加大每個接觸斑點的接觸面積，從而降低接觸電阻，減少接觸點處熱量的產生。

圖2 收縮電阻示意圖

增加蹺板銀點與連接片銀點之間的接觸壓力，可以降低膜電阻，同時增加接觸斑點數量和接觸面積，降低接觸面之間的收縮電阻，減少開關在通電狀況下的發熱量，降低溫升。但是無限的增加銀點間的接觸壓力，用戶需要用很大的力去按壓撥打開關，降低用戶的使用體驗。開關接觸銀點之間的接觸壓力設計多大時可以滿足溫升要求和使用要求，可以通過測試得出。

1.4 試驗設計

為了得出電路中電阻、溫升隨銀點接觸壓力變化而變化的對應曲線，我們設計了如圖3的測試裝置，導線與連接片連接，連接片銀點與連接片鉚接成一體，蹺板銀點與蹺板鉚接成一體，通過這種方式，兩根導線、兩個連接片、蹺板連成電路回路；彈簧的力通過彈子作用于蹺板正中心位置，螺栓M4 通過螺紋旋入金屬襯套中，彈子與彈簧在金屬襯套內可以自由伸縮和軸向移動；螺栓M4 的螺距P=0.7 mm，螺栓每順時針旋轉1 圈，螺栓下移0.7 mm，彈簧壓縮量增加0.7 mm。

圖3 電阻與溫升測試裝置示意圖

彈簧的彈性系數為：K=1.2 N/mm，可以通過螺栓旋轉圈數n，計算出彈簧的彈力F：

式中：

F—彈簧的彈力；

K—彈簧的彈性系數；

X—彈簧的壓縮量；

P—螺栓M4 的螺距；

n—螺栓M4 旋轉圈數。

彈簧的彈力F 作用在蹺板的正中心位置，分解到蹺板兩端銀點處，根據受力分析，可以計算出銀點之間的接觸壓力F1，如圖4。

根據受力分析，可得：

可推算出銀點間接觸壓力F1：

式中：

F—彈簧的彈力；

F1—銀點間接觸壓力；

n—螺栓M4 旋轉圈數。

用LCR 電阻測試儀，連接到圖3中兩根導線，測試試驗裝置間的電阻；螺栓M4 每旋轉1 圈，計算銀點接觸壓力F1，同時記錄電阻值；依次類推，記錄每次的銀點接觸壓力F1 和對應的電阻值，即可得到銀點接觸壓力與電阻的對應曲線圖。

開關的溫升采用交流恒流負載試驗箱和溫升測試儀如圖5測試。

圖5 溫升測試儀和交流恒流負載試驗箱

螺栓每旋轉1 圈，計算銀點接觸壓力，待30 min 溫升穩定后，記錄溫升值；依次類推，記錄每次的銀點接觸壓力和對應的溫升值，即可得到銀點接觸壓力與溫升的對應曲線圖。

2 試驗數據及分析

2.1 測試數據

按照上述的試驗方案，進行測試并記錄測試數據,轉換成折線圖，如圖6。

2.2 數據分析

從圖6分析發現，隨著銀點間接觸壓力的逐漸減少，導線間的電阻逐漸升高；當銀點接觸壓力大于1 N 時，銀點接觸電阻變化趨勢比較平緩，當接觸壓力小于1 N后，銀點接觸電阻增加趨勢變大。

圖6 銀點壓力與溫升、內阻對應圖

同樣，隨銀點接觸壓力組件減小，開關的溫升是逐步升高的；前期，銀點接觸壓力大于0.7 N 時，溫升變化不明顯，曲線比較平緩，但是當銀點間接觸壓力小于0.7 N 后，開關的溫升趨勢發生了突變，迅速升高，這種情況下，開關的溫升變化是不可控的，很容易超出國標要求，用戶使用時，存在潛在的危險。

從上面的試驗分析可得：①增加銀點間的接觸壓力，可以降低接觸電阻，同時降低開關溫升；②當接觸壓力大于1 N 時，繼續增加接觸壓力對接觸電阻和溫升不明顯，當接觸壓力小于1 N 時，增加接觸壓力可以明顯的降低接觸電阻，提高開關溫升性能。

3 結論

開關結構各個零件尺寸設計有公差，并且零件間有配合間隙，造成每個產品中的銀點接觸壓力并不是固定值；為了降低零部件生產難度，減少生產浪費，在產品設計時，建議將銀點間的接觸壓力控制到1.5 N 以上比較合適。

過度的通過增加彈子彈簧的彈力來增加銀點間的接觸壓力，可能會影響到開關后感，增加蹺板銀點與連接片銀點接觸碰撞時的拉弧燒蝕，也會降低開關的性能；后續還需要做更深入的測試和研究。