墙壁开关银点接触压力与温升的关系研究

邱 军 彭美南

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

在使用室内开关时候，国家标委会为了保障使用者的财产和生命安全，特在国标GB/T 16915.1 的17.1 章节中规定：“开关的结构应能保证正常使用时温升不会超过规定值”、“端子的温升不应超过45 K”。引起开关端子温升的因素有很多，其中开关内部跷板银点与连接片银点之间的接触压力与接触电阻是引起温升的主要因素之一。

本文旨在通过试验设计，试验数据收集与分析，找出开关银点之间接触压力与温升的对应变化趋势，得出合理的接触压力设计范围，为以后墙壁开关结构设计提供参考依据和建议。

1 试验设计

1.1 开关温升过高的危害

家用墙壁开关的作用是连通或断开电路中的电流，从而控制电器的工作状态。如果开关在使用过程中温升过高，开关中塑胶件变形，不能有效固定开关中载流部件，造成开关常通或常断，开关功能失效，很容易造成开关控制的电器不能正常使用，甚至引起火灾。

1.2 现有家用开关结构

现有家用开关主要是跷板式结构，主要由图1中的零件组成。

图1 跷板式开关基本结构图

用户分别按压过渡件左、右两端，驱使过渡件绕旋转轴左、右摆动，弹子和弹簧安装在过渡件盲孔中，弹簧可以在盲孔中自由伸缩，弹子可以沿轴线自由移动，弹子随过渡件的左、右摆动在跷板上左、右滑动，从而带动跷板绕旋转轴左、右翻转，跷板翻转过程中，跷板上的银点与连接片上的银点由分离状态变为接触状态，交替变化，从而控制电路中的电流断开或接通。

1.3 引起开关温升的原因

引起开关温升的原因有很多种，但根本原因是开关在通电状况下额外产生了超出开关所能承受的热量；通电电路中热量的计算公式如下：

式中：

Q—电路产生的热量（J）；

I—电路的电流（A）；

R—电路的电阻（Ω）；

t—通电时间（s）。

电路中的电流取决于供电系统，通电时间是测试值，二者都是不可调的，所以 电路中产生的热量大小主要是由电路中的电阻决定的；电路中的电阻主要由两部分组成：

式中：

R—电路中的总电阻；

R1—载流部件的内阻；

R2—银点与银点间的接触电阻。

根据电阻定律（导体的电阻R 跟导体的长度L、电阻率ρ 成正比,跟导体的横截面积S 成反比）可知：载流部件的内阻R1 取决于载流部件的材质、长度和横截面的大小。常用金属材料的电阻率如表1。

表1 常用金属材料电阻率表

银材的电阻率比较小，使用银材作为开关内部载流部件，可以有效的减少电路中的电阻，降低电路的温升，但是银材属于贵金属材料，价格昂贵，在家用开关中无法大面积使用；铜材的电阻率和银材的电阻率比较接近，并且价格低廉，非常适合作为电路的载流部件，目前家用开关都是采用铜材作为内部载流部件。

载流部件的内阻基本上是可控的。根据产品的使用场景、适用的电流大小，选择合适的材料，合适的载流面积，可以准确的控制载流部件内阻产生的热量，从而控制温升大小。

开关的核心零部件是跷板，它是一个运动部件，承接着断开与接通电路中电流的工作，在电路需要断开时，跷板需要与连接片快速分离，在电路需要接通时，跷板需要与连接片有效的接触，并且接触电阻越小越好；因此跷板与连接片接触处，分别用银点与跷板、连接铆接成一体，跷板与连接片的接触转变成银点与银点之间的接触，进一步降低两个接触件本体的内阻。

当银点与银点接触时，二者之间还存在接触电阻R2比，接触电阻是一个复杂组成，主要由两部分组成：

式中：

R2—银点与银点间的接触电阻；

Ra—接触件间的膜电阻；

Rb—接触面的收缩电阻。

银点的表面可能被一些物质（如氧化物、尘埃、静电吸附物）覆盖，形成一层薄膜，不同的金属材料在不同的环境下会生出各种不同的表面膜，有些表面膜电阻较小，有些表面膜电阻很大；这层薄膜的电阻称之为膜电阻Ra；但是这些表面膜厚度都很薄，当触头压力增大时，可以压碎氧化膜，使触头的金属材料直接接触，从而使表面电阻显著下降。

跷板银点与连接片银点接触时，理论上是面与面的接触，但是零件加工时，采用不同的加工方式，表面粗糙度也不同，实际上是很多斑点接触，实际的接触面积减小，电流从一个银点流向另外一个银点，必须经过这些斑点，电流线在经过接触面上的斑点时，发生了收缩，形成收缩电阻Rb；如图2影响收缩电阻大小的主要因素是接触点的数量和每个接触点面积的大小；而增加接触压力可以增加接触点的数量，同时加大每个接触斑点的接触面积，从而降低接触电阻，减少接触点处热量的产生。

图2 收缩电阻示意图

增加跷板银点与连接片银点之间的接触压力，可以降低膜电阻，同时增加接触斑点数量和接触面积，降低接触面之间的收缩电阻，减少开关在通电状况下的发热量，降低温升。但是无限的增加银点间的接触压力，用户需要用很大的力去按压拨打开关，降低用户的使用体验。开关接触银点之间的接触压力设计多大时可以满足温升要求和使用要求，可以通过测试得出。

1.4 试验设计

为了得出电路中电阻、温升随银点接触压力变化而变化的对应曲线，我们设计了如图3的测试装置，导线与连接片连接，连接片银点与连接片铆接成一体，跷板银点与跷板铆接成一体，通过这种方式，两根导线、两个连接片、跷板连成电路回路；弹簧的力通过弹子作用于跷板正中心位置，螺栓M4 通过螺纹旋入金属衬套中，弹子与弹簧在金属衬套内可以自由伸缩和轴向移动；螺栓M4 的螺距P=0.7 mm，螺栓每顺时针旋转1 圈，螺栓下移0.7 mm，弹簧压缩量增加0.7 mm。

图3 电阻与温升测试装置示意图

弹簧的弹性系数为：K=1.2 N/mm，可以通过螺栓旋转圈数n，计算出弹簧的弹力F：

式中：

F—弹簧的弹力；

K—弹簧的弹性系数；

X—弹簧的压缩量；

P—螺栓M4 的螺距；

n—螺栓M4 旋转圈数。

弹簧的弹力F 作用在跷板的正中心位置，分解到跷板两端银点处，根据受力分析，可以计算出银点之间的接触压力F1，如图4。

根据受力分析，可得：

可推算出银点间接触压力F1：

式中：

F—弹簧的弹力；

F1—银点间接触压力；

n—螺栓M4 旋转圈数。

用LCR 电阻测试仪，连接到图3中两根导线，测试试验装置间的电阻；螺栓M4 每旋转1 圈，计算银点接触压力F1，同时记录电阻值；依次类推，记录每次的银点接触压力F1 和对应的电阻值，即可得到银点接触压力与电阻的对应曲线图。

开关的温升采用交流恒流负载试验箱和温升测试仪如图5测试。

图5 温升测试仪和交流恒流负载试验箱

螺栓每旋转1 圈，计算银点接触压力，待30 min 温升稳定后，记录温升值；依次类推，记录每次的银点接触压力和对应的温升值，即可得到银点接触压力与温升的对应曲线图。

2 试验数据及分析

2.1 测试数据

按照上述的试验方案，进行测试并记录测试数据,转换成折线图，如图6。

2.2 数据分析

从图6分析发现，随着银点间接触压力的逐渐减少，导线间的电阻逐渐升高；当银点接触压力大于1 N 时，银点接触电阻变化趋势比较平缓，当接触压力小于1 N后，银点接触电阻增加趋势变大。

图6 银点压力与温升、内阻对应图

同样，随银点接触压力组件减小，开关的温升是逐步升高的；前期，银点接触压力大于0.7 N 时，温升变化不明显，曲线比较平缓，但是当银点间接触压力小于0.7 N 后，开关的温升趋势发生了突变，迅速升高，这种情况下，开关的温升变化是不可控的，很容易超出国标要求，用户使用时，存在潜在的危险。

从上面的试验分析可得：①增加银点间的接触压力，可以降低接触电阻，同时降低开关温升；②当接触压力大于1 N 时，继续增加接触压力对接触电阻和温升不明显，当接触压力小于1 N 时，增加接触压力可以明显的降低接触电阻，提高开关温升性能。

3 结论

开关结构各个零件尺寸设计有公差，并且零件间有配合间隙，造成每个产品中的银点接触压力并不是固定值；为了降低零部件生产难度，减少生产浪费，在产品设计时，建议将银点间的接触压力控制到1.5 N 以上比较合适。

过度的通过增加弹子弹簧的弹力来增加银点间的接触压力，可能会影响到开关后感，增加跷板银点与连接片银点接触碰撞时的拉弧烧蚀，也会降低开关的性能；后续还需要做更深入的测试和研究。