FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Materijali za elektrotehničke proizvode Materijali za električne kontakte Materijali za četkice Materijali za električne otpornike Materijali za termobimetale Materijali za termoelemente Materijali za.
Download ReportTranscript FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Materijali za elektrotehničke proizvode Materijali za električne kontakte Materijali za četkice Materijali za električne otpornike Materijali za termobimetale Materijali za termoelemente Materijali za.
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Materijali za elektrotehničke proizvode Materijali za električne kontakte Materijali za četkice Materijali za električne otpornike Materijali za termobimetale Materijali za termoelemente Materijali za rastalne osigurače ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 31. 10. 2014. Električni kontakti Električni kontakti su konstrukcijski elementi u sklopnim aparatima. Sklapaju struju ili je prenose s jednog provodnog elementa na drugog. Kontakti između pojedinih provodnih elemenata ostvaruju se pritiskanjem jednog na drugi element - pomoću kontaktnih opruga ili vijaka, spojnih dijelova s navojem ili na neki drugi način. Električni kontakti moraju jasno razdvajati uklopljeno i isklopljeno stanje i biti pouzdani. Materijal i konstrukcija moraju zadovoljavati postavljene zahtjeve; električne, mehaničke, kemijske, toplinske. Ako se dva cilindra sastave i izmjeri otpor između točaka a i b on će biti veći nego što je otpor homogenog cilindra jednake duljine. Ukupni otpor se sastoji od otpora cilindra RC i kontaktnog ili prijelaznog otpora RK. Rab = RC + RK Električni kontakti Zbog nesavršenosti kontakta, kontakt se ostvaruje samo u nekoliko dodirnih točaka kontaktne plohe, te dolazi do skretanja strujnica prema tim uskim prolazima. Holmov kuglin model Struja se koncentrira na mnogo manji presjek vodiča, što se očituje povećanjem otpora i dodatnim zagrijavanjem. Ovo povećanje otpora je samo jedan dio ukupnog kontaktnog otpora, a naziva se provlačni otpor Rp. Drugi dio kontaktnog otpora uzrokuju strani slojevi koji se stvaraju na kontaktnim plohama (nečistoće, vlaga, oksidacija i dr.), a zove se slojni otpor Rs (10-12 m2) Električni kontakti Ako se dvije plohe približe one se početno dodiruju u nekoliko mikrovrhova. Čak i kod malih sila pritisak na tim vrhovima može biti vrlo visok pa se oni deformiraju elastično i plastično sve dok sila na kontakte ne dosegne punu vrijednost. Kontaktna ploha raste, smanjuje se provlačni otpor. Kontaktna sila ovisi o tvrdoći materijala i stvarnoj kontaktnoj površini: F = HAr gdje je: = konstanta (0, 1...) H = tvrdoća materijala N/mm2 Ar = stvarna kontaktna površina mm2 Električni kontakti Mehanizam prolaza struje kroz strane slojeve je složen i ovisi o tome da li se radi o jednomolekularnim ili debljim slojevima. Kontakti s jednomolekularnim slojevima su kvazimetalni, jer se utjecaj tih slojeva kod jakih struja može zanemariti. Nesmetani prolaz struje se osniva na tunelskom efektu. Već treći sloj molekula povećava slojni otpor za oko 100 puta. Za ispravan rad sklopnih aparata važno je da im kontakti u pogonu postignu kvazimetalni dodir. Električni kontakti Prema tome, ukupan kontaktni otpor RK se sastoji od provlačne i slojne komponente. Za točkaste kvazimetalne kontakte otpor RK iznosi: RK RP RS RP H 2 F H RS 2 F a 2a RK RP RS 2 2a a gdje je: - električna otpornost m - slojna otpornost m2 F - kontaktna sila N a - polumjer dodirne površine m Kod slabih pritisaka (slabe struje) prevladava slojni otpor Rs, a kod jakih pritisaka (jake struje) prevladava provlačni otpor RP. Električni kontakti Bez obzira na moguće razlike u izvedbi, od električnog kontakta se traži: • • • • • dobra električna vodljivost (mali kontaktni otpor) dobra toplinska vodljivost mehanička otpornost kemijska otpornost otpornost na visoke temperature Koji od navedenih zahtjeva je posebno važan određuje se na osnovu: • brzine i učestalosti sklapanja • pritiska između lamela kontakta • trajanja rada kontakta pod opterećenjem • vrste i iznosa struje • visine napona • snage koja se sklapa • karakteru strujnog kruga Podjela električnih kontakata Osnovni tipovi električnih kontakata su: A) Kontakti koji uklapaju i isklapaju strujne krugove u pravilu bez električnog opterećenja. Dijele se na: • utične • spojnice (vijčani) B) Kontakti koji uklapaju i isklapaju strujne krugove pod električnim opterećenjem. Dijele se prema: a) izvedbi: tlačni, klizni, kotrljajući. b) mjestu primjene: kućne instalacije, razvodne mreže, industrija, vuča, rudnici itd. Podjela električnih kontakata tlačni klizni spojnice Podjela električnih kontakata c) nazivnom naponu: • niskonaponski (Un 1kV odnosno 1,2 kV = ) • visokonaponski (Un 1kV odnosno 1,2 kV = ) - srednje visoki (3 do 35 kV) - visoki (35 do 400 kV) - vrlo visoki (400 kV) d) namjeni: • rastavljači -otvaraju u praznom hodu • sklopke - sklapaju normalni pogon • prekidači - prekidaju kratkotrajno struje kratkog spoja • pokretači - kod pokretanja motora, ograničenje struje • regulatori - reguliraju određen iznos struje • osigurači - prekidaju kod određenog iznosa struje • odvodnici prenapona • releji mjere, te sklapaju - mogu biti automatski i neautomatski Podjela električnih kontakata e) intenzitetu opterećenja: za mala opterećenja, za srednja opterećenja (do 20 A i 600 V) i za velika opterećenja (>20 A). Kontakati za mala opterećenja rade bez električnog luka i s malim pritiscima. Karakteristično je da se na njima ne stvaraju oksidni i sulfidni spojevi koji povećavaju otpornost. Kontakti za mala opterećenja su: vremenski releji, mjerni preklopnici, precizni kontakti u instrumentima. Kod srednjih opterećenja moguć je luk i trošenje uz povećanje temperature. Značajnije primjene su za opterećene telefonske releje. Kod velikih opterećenja su veliki pritisci i obavezan luk. Električni luk probija sve nečistoće pa kemijska svojstva nisu toliko od značaja. Postoje izvedbe koje rade u ulju ili vakuumu. Podjela električnih kontakata f) obliku: mala opterećenja srednja opterećenja velika opterećenja Znatan utjecaj na kvalitet kontakata ima oblik kontaktnih krajeva i pritisak između njih. Izbor materijala za električne kontakte U ovisnosti od jakosti struje postoje uglavnom dvije vrste kvarova; korozija i erozija kontakta. Pod erozijom se podrazumijeva raspršenje materijala kontakta. Dolazi i do prijelaza materijala s jednog na drugi kontakt. Pri jako velikim strujama može doći i do zavarivanja kontakata. Materijali za električne kontakte se biraju na osnovi: • • • zadanih pogonskih uvjeta (vrsta, funkcija, vrsta opterećenja, okolina, primjena) tehničkih zahtjeva (električki, toplinski, mehanički, kemijski, tehnološki) potrebnih fizikalnih svojstava (električna vodljivost, toplinska vodljivost, tvrdoća, svojstva mikrosloja, rekuperacija) Izbor materijala za električne kontakte Koriste se materijali: • • • • • • malog kontaktnog otpora dobre toplinske vodljivosti otporni na djelovanje luka teško zavarivi s visokom temperaturom taljenja s malim nagaranjem Najjednostavnije je kod utičnih kontakta, koji ukapčaju bez struje. Znatno složenije je kod tlačnih i kliznih kontakta kod kojih svaka vrsta opterećenja nosi svoje probleme: • • • od minimalnih do maksimalnih električnih naprezanja od minimalnih do maksimalnih mehaničkih naprezanja od minimalnih do maksimalnih toplinskih naprezanja Metalni materijali za električne kontakte Kontaktni materijali dijele se u tri osnovne skupine: čisti metali, legure, sinterirane kombinacije. Ponekad se koriste i obloženi (platirani) materijali. Čisti metali: • • • • visokovodljivi metali (srebro, zlato, bakar i dr.) kemijski otporni metali (platina, paladij, rodij, renij, iridij i dr.) teško taljivi metali (volfram i molibden) osrednji metali (ugljik, nikal) Legure (miješanjem dva ili više rastaljenih metala): • • visokovodljive kemijski otporne Metalni materijali za električne kontakte Sinterirane kombinacije (miješanjem raznih metala u prahu pod visokim tlakom): • • • • bakar s teško taljivim metalima srebro s metalnim oksidima srebro s teško taljivim metalima i karbidima srebro s nemetalima Postupak sinteriranja je vrlo složen i skup, pa se od sinteriranih kombinacija nikada ne izrađuju čitavi kontakti, već samo oni dijelovi koji su najviše izloženi zavarivanju i nagaranju. Metalni materijali za električne kontakte Za kontakte za mala opterećenja koriste se čisti metali (uglavnom plemeniti metali). Bakar (tvrdi): Čist, sklon je oksidiranju, koristi se za visoke napone ili konstrukcije koje osiguravaju čišćenje kontaktne površine. Srebro: Najčešći, osjetljiv na sumpor, stvaraju se sulfidi koji smetaju kod malih pritisaka. Mehanički je mekan. Srebro je sklono stvaranju luka, ali manje eroziji. Koristi se u raznim oblicima. Zlato: Nema površinskih slojeva, koristi se samo za prevlake jer je meko i skupo. Zlato je sklono obrazovanju luka i eroziji. Platina (Pt): Platina je otporna na električni luk. Ne stvara slojeve. Kemijski je vrlo otporna, ima visoko talište. Metalni materijali za električne kontakte Rodij (Rh) - Platinski metal (kao paladij, iridij). Tvrd. Koristi se za prevlake. Paladij (Pd): Umjesto platine česta je upotreba paladija koji je znatno jeftiniji. Jeftiniji je i od rodija. Slabiji je od platine, ali bolji od srebra. Iridij (Ir): Tvrd, kemijski otporan, ima visoko talište. Koristi se za galvanske prevlake. Volfram (W): Visoko talište, tvrd, otporan na habanje. Otporan je na luk i ne zavaruje se pri radu kontakata. Mana je oksidacija volframa. Sinteriranje. Volfram je čest materijal za električne kontakte. Molibden (Mo): Lakše se obrađuje od volframa, a sličnih je svojstava. Kod molibdena je erozija je izraženija nego kod volframa. Podložan je atmosferskoj koroziji. Metalni materijali za električne kontakte Ugljik (C): Električni kontakt od ugljika ima ispariv oksid, te ostaje čista kontaktna površina. Ima svojstva samopodmazivanja, otpornost na kvašenje i postojanost na električni luk. Primjena ugljenih kontakata je razna: koriste se u potenciometrima, kontaktorima, kontrolerima ili kao točkići. Legure za električne kontakte Kod srednjih i velikih opterećenja gotovo sigurna je pojava električnog luka i naglašeno trošenje kontakata. Za ove kontakte koriste se legure. Najpoznatije legure su: Na bazi bakra: Cu/Be mehanički odličan Cu/Cr Cu/Ni Cu/Cd otpornost na mehanička opterećenja i zavarivanje Na bazi srebra: Ag/Cu bakar povećava čvrstoću, smanjuje otpor na koroziju Ag/Cd mehaničko poboljšanje, otpornost na zavarivanje Ag/Au još veća kemijska stabilnost Ag/Pd smanjuje utjecaj sumpora (30-60%) Na bazi platine: Pt/Ir kemijska otpornost, mehanički odličan Metalokeramički materijali za električne kontakte Za velika opterećenja koriste se i metalokeramički materijali. Ovi se materijali dobivaju sinteriranjem. Koriste se metali koji međusobno ne stvaraju čvrste rastvore. Jedna od komponenti ima dobru električnu provodnost, a druga dobru mehaničku čvrstoću i višu temperaturu taljenja. Osim veće otpornosti prema taljenju i zavarivanju prednost ovih materijala prema metalima je i u duljem vijeku trajanja. Na bazi srebra: Ag/C(grafit) (2 do 5%), za tlačne kontakte, otporni na zavarivanje Ag/CdO (3 do 10%), bolja mehanička i toplinska svojstva Ag/Ni (20 do 50%), zavarivanje, toplinska postojanost Ag/W (30 do 50% ), toplinska otpornost, otpornost na luk Ag/Mo toplinska otpornost, otpornost na luk Metalokeramički materijali za električne kontakte Na bazi bakra: Cu/W toplinska postojanost (do 80% W). Cu/Mo toplinska postojanost. Na bazi volframa: W/Ni (2%), bolje oblikovanje. Wo/Ag (40% Ag), tvrdoća, vodljivost. Platirani: Kao osnovni materijal upotrebljava se: Cu, Ag i dr. Kao materijal za oblaganje: Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ir, Pt/Ir. To oblaganje može biti veoma tanko (galvanski) ili deblje, prikladno nanesena pločica. Vakuumski prekidači Vakuumski prekidači, s vakuumom za gašenje luka, imaju mogućnost upotrebe materijala za izradu kontakata koji inače nisu prihvatljivi u zraku ili plinu SF6. Ne postoji okolni plin pa nema onečišćenja kontakta. Zbog čistih površina stabilan je kontaktni otpor. Kontakti su hermetički zatvoreni pa je moguća upotreba i otrovnih materijala. Negativne osobine: čista kontaktna površina može imati za posljedicu jako zavarivanje, eroziju kontaktne površine, smanjenje dielektričke čvrstoće međukontaktnog prostora usljed deformacije oblika kontakta. Materijali za vakuumske prekidače Kontakti koji se koriste u vakuumskim sklopnim aparatima, uz malo trošenje, moraju: • • • • • • podnositi visoke napone bez pojave autoelektronske emisije gorenjem luka ne mijenjati geometriju kontakata osigurati prekidanje velikih struja, ali i malo rezanje struje imati visok stupanj otpornosti na zavarivanje imati mali sadržaj plinova u strukturi kontakata imati dobru električka vodljivost Većina kontaktnih materijala koji se upotrebljavaju u vakuumskim sklopnim aparatima može se svrstati u jednu od skupina: • • • • čisti metali legure vatrostalni materijali i dobri vodiči nevatrostalni materijali i dobri vodiči Materijali za vakuumske prekidače Čisti metali: Glavni predstavnik je Cu. Nedostatak mu je stvaranje čvrstih zavarenih spojeva. Vatrostalni metal W nema ovaj nedostatak kao i tekući metali Hg i Ga. Glavni nedostatak W i Hg je nemogućnost prekidanja velikih struja. Legure: Glavni sastojak je Cu dok se ostali metali dodaju da bi se povećala otpornost prema zavarivanju i/ili mehanička čvrstoća i/ili smanjila vrijednost struje rezanja. Koriste se dvokomponentne legure: Cu-Bi, Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Sb, Cu-Zn. Najčešće upotrebljavana legura je Cu-Bi (Bi > 5 %). Veći postotak Bi čini materijal mehanički slabim, s velikom mogučnošću erozije. Ukoliko se koristi manje od 1 % Bi dobiva se materijal s velikom otpornošću na zavarivanje. U ovu skupinu kontaktnih materijala pripadaju i legure kod kojih glavni sastojak ima vrelište manje od 3500 K (Ag-Bi, Ag-Pb, Ag-Te, Cu-Te, CuTh, Al-Pb, Al-In, Al-Sn, Ni-Bi, Ni-Te). Koriste se i trokomponente legure: Cu-Al-Bi, Cu-Be-Bi, Cu-Co-Bi, Cu-Ni-Bi, Cu-Ni-Te. Materijali za vakuumske prekidače Vatrostalni materijali i dobri vodiči: Najčešće upotrebljavani materijali ove skupine su: W-Cu, ili Mo-Cu i njihove varijante, npr. W-Cu-Ti, W-CuTi-Bi, W-Cu-Ti-Sn, W-Cu-Zr, W-Zr, W-In-Cu, i naravno W-Cu-Bi. Radi se obično o sinteriranju W (> 50 %) i dobro vodljivog materijala (Cu ili legure na bazi Cu). Materijali Ti, Zr i In dodaju se radi bolje infiltracije vakuuma u W, a Bi i Sn dodaju se radi poboljšanja svojstva rezanja struje i otpornosti na zavarivanje. Glavni nedostatak je nemogućnost prekidanja velikih struja (> 10 kA) u visokonaponskim krugovima. Glavne prednosti su: mala erozija, mala struja rezanja i otpornost na zavarivanje. Nevatrostalni materijali i dobri vodiči: Materijali ove skupine zadržavaju neka dobra svojstva prethodne skupine, s mnogo većom prekidnom sposobnošću. Dodani materijali imaju talište veće od 1500 K, vrelište niže od 3400 K i obično su to tipični metali, npr. Cr, Fe, Co i Ni. Cu-Cr kontakt ima široku primjenu u prekidačima za srednji napon. Četkice Električni kontakti ostvaraju se u električnim strojevima i pomoću četkica. Četkice su klizni kontakti. Moraju se podmazivati. Komutacija i patina su važne karakteristike četkica. Komutacija je sposobnost četkice da pod teškim električkim i mehaničkim uvjetima osigura prijenos struje bez iskrenja uz minimalnu potrošnju kliznog kontakta. Aktivni plinovi i soli slabe komutaciju, uvjetuju porast temperature što izaziva povećanje otpora. Patina je: a) oksidna metalna prevlaka (bez korozivnih plinova) tijesno povezana s metalom koji se nalazi pod njom. “Metalna patina" debljine do 0,02 m (crveni oksidul Cu2O, crni oksid CuO). b) fine čestice ugljika. Patina koja sadrži ugljik mijenja boju (intenzitet crnila). Prelazni sloj - ugljik u oksidu čija debljina ovisi o struji. Materijali za četkice Potrebne osobine materijala za proizvodnju četkica su: • • • • • • • • • • • • dobra sposobnost komutacije mala električna otpornost mali pad napona mali ukupni gubici jednolika raspodjela struje velika električna i termička opteretivost mala potrošnja četkice i kolektora mali koeficijent trenja mala količina pepela dovoljna tvrdoća dovoljna čvrstoća na savijanje samopodmazivanje Materijali za četkice Ugljik svojim svojstvima najbolje udovoljava zahtjevima, pa su četkice i napravljene na bazi ugljika i to kao: a) amorfne (ugljene) Žarena čađa + petrokoks. Mljevenje, sijanje, miješanje s vezivomprešanjezagrijavanje do 1100 0C. Tvrde. Poluproizvodi na bazi ugljika, od čega se izrađuju četkice i ostali ugljenografitni i metalografitni proizvodi. Materijali za četkice b) elektrografitne Žarena čađa + petrokoks. Kao amorfne + zagrijavanje bez prisutnosti zraka > 2500 0C. Mekše od amorfnih. Grafitizacija izvršena na umjetan način iz plemenitog ugljena, na temperaturi iznad 2500 0C. Svojstva im variraju od ugljenih do grafitnih, već prema stupnju grafitizacije. Te četkice imaju najširu primjenu i najviše se nalaze u upotrebi. Materijali za četkice c) grafitne Grafit + elektrografit Mljevenje, miješanje s dodacima te aglomeriranje, zagrijavanje do 1300 0C. Mekane, elastične d) bakelitgrafitne Grafit + elektrografit Aglomeriranje pomoću fenolformaldehidnih smola, zagrijavanje do 180 0C. Mehanički tvrde. Materijali za četkice e) metalografitne Metalna prašina (Cu, Ag) + prirodni grafit+ vezivo. Miješanje, vezivo fenolformaldehidna smola, zagrijavanje do 180 0C. Teške. Imaju zbog grafita dobru mogućnost podmazivanja, zbog metala najmanja otpornost, najveća strujna opterećenja. U električnom stroju je više četkica koje rade paralelno, te treba paziti da su sve četkice iste vrste kako bi i njihovo opterećenje bilo ravnomjerno. Potrebno je da su paralelne četkice iste duljine. Materijali za četkice četkice prelazni pad napona (V) obodna brzina (m/s) gustoća struje (A/cm2) amorfne 1,50 – 1,75 0,2 – 0,3 20 (15 – 20) < 6 (4 - 6) elektrografitne 1,3 – 1,5 0,1 – 0,2 < 60 < 12 grafitne 1 – 1,25 0,1 – 0,15 75 (20 – 40) 10 - 12 bakelitgrafitne 1,1 – 1,6 0,12 - 0,15 < 40 <8 metalografitne 0,1 – 0,5 0,1 – 0,2 < 40 (20 – 40) > 30 (100) Materijali za četkice Utjecaj obodne brzine na brzinu trošenja četkica: H 0, 5 103 v2 (mm/100 sati) gdje je: H - brzina trošenja v – obodna brzina Iznad 100 0C, temperatura značajno utiče na brzinu trošenja četkica. Vlažnost zraka > 0,4 g/m3. U električne kontakte spadaju još kolektori, te koluti. Kolektori se izrađuju iz tvrdog bakra ili legura bakra i srebra. Koluti se izrađuju od bronce. Električni otpornici Električni otpornici također spadaju u grupu vodljivih elemenata, ali za razliku od vodiča u užem smislu od njih se traži čim veća električna otpornost. Za izradu električnih otpornika uglavnom se koriste otporne legure (ρ ~ 10-6 Ωm). Otpornik je element strujnog kruga kojemu je zadatak da na sebe u različite svrhe preuzima jedan dio ili cijeli napon strujnog kruga. Svrha u koju otpornik preuzima napon je različita, te može biti: regulacija struje i napona, mjerne svrhe, pretvaranje struje u toplinu, i dr. Pri preuzimanju dijela ili cijelog napona, struja koja teče kroz otpornik uzrokuje da otpornik na sebe preuzima određenu snagu. Podjela električnih otpornika Dimenzioniranje otpornika u strujnom krugu određuje se prema: •iznosu potrebnog električnog otpora •iznosu dozvoljne struje (da se ne dostigne ili pređe maksimalna temperatura) •visini napona (da bude dovoljno izoliran) Sa stanovišta snage i veličine otpora postoje dvije osnovne izvedbe: • žičani • nežičani Materijali za žičane otpornike su uglavnom metali i njihove legure, a materijali za nežičane otpornike su uglavnom poluvodički materijali i tanki slojevi. Podjela električnih otpornika žičani nežičani Žičani otpornici Žičani otpornici: Oblici su žice, trake, šipke i sl. Izrađuju se za snage od dijelova W do nekoliko kW. Ograničenog iznosa otpora (< 100 k). Velikih su dimenzija. Osnovni zahtjevi na materijal su: • • • • velika električna otpornost ( = 0,2-1,5 m). Zato se koriste legure. mali temperaturni koeficijent otpora zbog stabilnosti otpora u širem području (zbog preciznosti, zbog širokog područja upotrebe) otpornost na oksidaciju na radnoj temperaturi otpornost prema raznim kemijskim utjecajima 25 W 100 W Žičani otpornici • • • • • mali temperaturni koeficijent istezanja postojanost na starenje mali termoelektropotencijal (elektromotorna sila) prema bakru odgovarajuća mehanička svojstva odgovarajuća tehnološka svojstva (oblikovanje, spajanje) Navedeni zahtjevi se u većoj ili manjoj mjeri pojavljuju ovisno o vrsti i režimu rada otpornika. Jedni su zahtjevi naglašeniji za otpornike snage mW, a drugi za otpornike snage kW. Prema namjeni žičani se otpornici dijele u sljedeće grupe: • • • opći (regulacijski) precizni (mjerni) žarni (za elektrotermiju) 11 W 5W Opći žičani otpornici Opći žičani otpornici: Koriste se u regulacijskim strujnim krugovima, kao djelitelji napona i slično. To su otpornici vrlo širokog područja primjene. Njihove vrijednosti kreću se u vrlo širokom području. Mogu imati i veće odstupanje (toleranciju) od nazivne vrijednosti (5%, 10%). Dodatni zahtjevi na materijale su: • • lako lemljenje jeftini materijali Za izradu ovih otpornika koriste se legure na bazi željeza ili nikla (radne temperature iznad 400 0C, velike snage, ne baš kvalitetni) i legure na bazi bakra (radne temperature do 400 0C). Opći žičani otpornici Od legura na bazi bakra najpoznatiji je konstantan. To je legura bakra i nikla (55% Cu i 45% Ni). Zadovoljava većinu zahtjeva, ali ima veliku elektromotornu silu prema bakru što nije dozvoljeno kod materijala za precizne otpornike. Pogonska temperatura mu je oko 350 0C. Osnovna svojstva konstantana su: • • • • • • električna otpornost = 0,49 m2/m temperaturni koeficijent otpora = 410-5/K elektromotorna sila prema bakru EMS = 43 V/K dobra obradivost (da se izvlačiti u tanke žice) zadovoljavajuća toplinska postojanost određenom toplinskom obradom dobije se na površini žice oksidni sloj koji može poslužiti kao izolacija i izdrži napon od jednog volta po zavoju. konstantan Opći žičani otpornici Osim konstantana postoje i druge legure sličnih svojstava, npr. legura bakra, nikla i cinka ili mangana: • • • • argentan (50% Cu, 40% Zn, 10% Ni) nikelin (Cu/Ni/Zn), = 0,3 do 0,4 m2/m, =20 do 8010-5/K novo srebro (62% Cu, 22% Zn, Ni, FE i Mn) rezistin U tim legurama nikal služi za poboljšanje žilavosti i otpornosti na koroziju, bakar pridonosi gnječivosti, cink poboljšava sposobnost lijevanja. To su sve termički robusne legure kojima ne smeta zagrijavanje na temperaturi 300-600 0C pa ne stradaju od kratkotrajnih preopterećenja. Za otpornike posebne namjene koriste se i legure srebra. Precizni žičani otpornici Precizni žičani otpornici: Služe za ugradnju u mjerne uređaje, za izradu normalnih otpornika (etalona) i sl. U pravilu rade na temperaturama od sobne do 60 0C. Električni otpor im se ne smije mijenjati tijekom dužeg vremenskog perioda. Žarenjem se uklanjaju unutarnja naprezanja tijekom izrade. Moraju biti precizni pa se postavljaju i posebni zahtjevi: • • • • minimalni temperaturni koeficijent otpora minimalna EMS prema Cu vremenska stabilnost cijena nije bitna (uvjetno rečeno) Za izradu ovih otpornika koriste se legure na bazi bakra (Cu/Mn/Ni ili Al). Najpoznatija legura je manganin. Precizni žičani otpornici Manganin: To je legura bakra, mangana i nikla (86% Cu, 12% Mn i 2% Ni). Izrađuje se u obliku žica i vrpci. Otpornik iz ovog materijala se izolira lakom ili svilom. Osnovna svojstva manganina su: •električna otpornost = 0,43 m2/m •temperaturni koeficijent otpora = 110-5/K •elektromotorna sila prema bakru EMS = 1 V/K •otporan na starenje (vremenska stabilnost dobiva se određenom toplinskom obradom) •osjetljiv na preopterećenja Precizni žičani otpornici Osim manganina postoje i druge legure sličnih svojstava, kao što su: • • • izabelin (84% Cu, 13% Mn, 3% Al); = 0,5 m2/m; = -210-5/K; EMS = -0,2 V/K therlo (85% Cu, 9,5% Mn, 5,5% Al); = 0,45 m2/m novokonstantan (82,5% Cu, 13,5 % Mn, 3% Al, 1% Fe); = 0,5 m2/m Sve te legure rade na temperaturama do 60 0C, a iznad te granice gube definirane karakteristike. Žarni (elektrotermijski) otpornici Žarni otpornici: Služe za pretvaranje električne u toplinsku energiju. Rade na temperaturama 900 - 1350 0C, pa odavde proizlaze i posebni zahtjevi. I ovi otpornici imaju vrlo široku primjenu. Svojstva na koja treba obratiti pozornost su: • visoka toplinska postojanost (prisutna intenzivna oksidacija na povišenim temperaturama) • mali toplinski koeficijent istezanja (pucanje oksida na površini) • što manji temperaturni koeficijent otpora • tehnološke sposobnosti (jednako izvlačenje, homogeni sastav) • toplinska vodljivost • visoko talište • niska cijena Žarni (elektrotermijski) otpornici Ovi otpornici služe isijavanju toplinu, slijedi da materijali za izradu moraju imati maleni toplinski kapacitet. U tu svrhu se upotrebljavaju legure na bazi nikla, kroma i željeza, te legure na bazi kroma i željeza. Njihove radne temperature su oko 1000 0C, a električna otpornost oko 1 m2/m. Nikal i krom poboljšavaju otpornost prema oksidaciji i pridonose čvrstoći. Željezo pojeftinjuje materijal. Ponekad se upotrebljavaju i specijalne legure na bazi Pt, W, kao i nemetalni materijali (C, SiC). Legure nikla, kroma i željeza: a) Bez željeza (80% Ni, 20% Cr). Električna otpornost = 1,1 m2/m; = 610-5/K; pogonska temperatura je 1100 -1150 0C. To su legure koje rade na najvišim temperaturama. Osjetljive su na sumpor i sumporne spojeve. Trgovački nazivi: nikrom, kromel, cekas II, kromin. Žarni (elektrotermijski) otpornici b) Malo željeza (60 - 65% Ni, 15 - 20% Cr, 15 - 20% Fe). Električna otpornost = 1,1 m2/m; = 810-5/K; pogonska temperatura = 1000-1050 0C. U sastavu se pojavljuje željezo pa su jeftinije ali s nižom pogonskom temperaturom. Postojane su prema kiselinama. Trgovački nazivi: ferokromin, nikrom II, cekas c) Mnogo željeza (20% Ni, 25% Cr, 55% Fe). Električna otpornost = 0,97 m2/m; = 3010-5/K; pogonska temperatura = 950-1000 0C. U sastavu je mnogo željeza, te imaju još nižu pogonsku temperaturu, i jeftinije su o odnosu na prethodne legure. Trgovački nazivi: cekas 0, cekas I, CNE. Vidljivo je da povećanje željeza smanjuje pogonsku temperaturu, povećava temperaturni koeficijent otpora i snizuje cijenu. Žarni (elektrotermijski) otpornici Legure kroma i željeza: To su legure bez nikla pa su jeftinije. Toplinska postojanost im je visoka, ali su podložne koroziji, te ih treba staviti u zaštitnu atmosferu. a) Cr/Fe/Si (20 - 30% Cr, 2,5% Si, ostatak Fe). Električna otpornost = 0,75-0,81 m2/m (više Si veći ); = 4510-5 /K; pogonska temperatura = 900 - 1000 0C. Trgovački nazivi: megapir, cekas extra, kantal. b) Cr/Fe/Al (30% Cr, 65% Fe, 5% Al). Električna otpornost = 1,4-3 m2/m; = 310-5 1/K; pogonska temperatura = 1300 - 1350 0C. Trgovački nazivi: alukrom i kronifer. Vidljivo je da povećanje kroma povećava pogonsku temperaturu. Dodatkom aluminija legura je zaštićenija od korozije. Žarni (elektrotermijski) otpornici Specijalne legure: Platina (Pt+30% Rh), pogonska temperatura = 1300 0C (veoma skupa). Volfram i molibden se koriste za izradu žarnih niti u žaruljama. Koriste se u vakuumu tj. u zaštićenoj atmosferi jer njihov oksid isparava i ne štiti materijal od daljenje oksidacije. Pogonska temperatura = 1700 0C. Otporni štapovi (nemetalni otpornici): Silicijev karbid (SiC). Pogonska temperatura = 1400 0C, ima izrazito negativan temperaturni koeficijent otpora (otpor pri sobnoj temperaturi 2000 , a na radnoj 1000). Oksidacijom se stvara zaštitni sloj. Ugljen, grafit pogonska temperatura 2000 0C, negativan temperaturni koeficijent otpora, amorfna struktura. Oksid isparava. Materijali za nežičane otpornike Nežičani otpornici: To su otpornici napravljeni na bazi nemetala, najčešće na bazi ugljika. Po izvedbi dijele se na masivne (masivna otporna tijela) i na slojne, s debelim ili tankim otpornim slojem. Ograničene su snage, neograničenih iznosa otpora (do 100 M). Imaju male (do minimalne) dimenzije. Masivni a) Koloidalni. Otporni materijal + organsko vezivo. b) Keramički. Otporni materijal + anorganski materijal (keramika, staklo) + organsko vezivo. Materijali za nežičane otpornike Otporni materijali su silicijev karbid (SiC) i ugljik (C). Izrada masivnih nežičanih otpornika: •oblikovanje •pečenje na 100 do 200 0C •paljenje na blizu 1000 0C (u neutralnoj atmosferi, pri tome izgori organska komponenta, koja je poslužila kao tehnološko pomagalo). Prednost keramičkih otpornika je viša toplinska postojanost. Otpor ovih otpornika je ovisan o sastavu smjese iz koje se izrađuju. Podnose preopterećenja, dosta su robusni. Nisu za visokofrekvencijsku tehniku zbog vlastitog kapaciteta. Otpor je ovisan o naponu, vremenom se mijenja – starenje. Materijali za nežičane otpornike Slojni s debelim slojem (> 5 m) a) Koloidalni. Otporni materijal (C) + organsko vezivo . b) Keramički. Otporni materijal (C) + anorganski materijal (keramika, staklo) + organsko vezivo. Izrada slojnih otpornika: Pasta, koja je smjesa svih navedenih komponenti, nanosi se na podlogu koja je od keramike ili stakla, pečenje na oko 100 0C, polimerizira organsko vezivo, paljenje u neutralnoj atmosferi (500 - 1000 0C) pri čemu organska komponenta nestane. Materijali za nežičane otpornike Paste za ove otpornike se izrađuju se na bazi paladija, platine, rutenija, talijevog oksida, ugljika. Slojevi su do nekoliko desetaka m debljine, a otpor sloja je dan za kvadratnu površinu i iznosi 1 do 1 M/. Ne podnose preopterećenja. Koriste se i u visokofrekvencijskoj tehnici. Povećanje otpora moguće je urezivanjem spirale u otporni sloj, ali se u tom slučaju otpornik ne može upotrijebiti u visokofrekvencijskoj tehnici. Slojni s tankim slojem (filmom < 5 m ) a) karbovidni na bazi C, kristalični sjajni ugljen. b) keramički na bazi Cr/Ni, Cr/SiO, talijevi spojevi, kristalni ugljen. Otporni sloj se nanosi tehnikom tankog filma (kemijsko obaranje, naparavanje u vakuumu, prskanje ili ionizacija). Otpor sloja iznosi 10 do 10 M/, veoma su osjetljivi na preopterećenja. Materijali za termobimetale Termobimetali su dva čvrsto povezana sloja metala ili njihovih legura s veoma različitim temperaturnim koeficijentima istezanja. Kod zagrijavanja dolazi do različitog istezanja svakog od njih, te se cijela kombinacija savija na stranu materijala s manjim temperaturnim koeficijentom istezanja. Područje upotrebe je od -20 do 250 oC. Upotreba: mjerenje temperature, regulacija temperature, signalizacija, glačala, bojleri, termoakumulacione peći, nadstrujna zaštita automatskog osigurača, starter fluorescentne rasvjete i dr. Materijali za termobimetale 2 a L A t s 100 A = otklon bimetala a = specifični otklon bimetala (s = 1 mm, L = 100 mm, t = 1 0C) Formula vrijedi ako je s 10 L i za manje otklone. U pravilu bi se mogla upotrijebiti bilo koja dva metala koja imaju različite temperaturne koeficijente istezanja. Potrebna je odgovarajuća čvrstoća materijala i da je razlika električnih potencijala što manja zbog elektrokorozije. Najčešće se kao jedan materijal upotrebljava invar (64% Fe, 36% Ni) zbog vrlo malog temperaturnog koeficijenta istezanja (110-6/ oC). Usporedbe radi bakar ima temperaturni koeficijent istezanja 1710-6/ oC, aluminij 2410-6/ oC, željezo 1010-6/ oC, srebro 1910-6/ oC, nikal 1310-6/ oC. Koristi se još mjed, nikal, konstantan i legure željeza s niklom i manganom. Materijali za termoelemente Termoelement je vodljivi spoj dvaju različitih metala ili legura, kod kojih se na slobodnom kraju javlja potencijalna razlika, koja je proporcionalna razlici temperatura spojenog i slobodnog kraja. Potencijalna razlika se naziva termoelektromotorni napon. Za kontaktni potencijal je mjerodavna razlika u izlaznoj radnji i broju elektrona koji je različit za razne materijale. Ako je zatvoren krug ili ista temperatura na oba kraja nema razlike potencijala. Materijali za termoelemente termoelement osjetljivost područje (V/C) primjene (C, K) Cu/konstantan 43 350 Fe/konstantan 50 600 Fe/kopel 55 600 kromel/kopel 80 600 kropel/alumel 41 900-1000 Ni/CrNi 40 900-1000 Pt/PtRh 7-10 1600 x 3000 W/WMo Upotreba: mjerenje temperature, regulacija, signalizacija. Mjereni naponi su reda veličine mV, a područje upotrebe se poklapa s područjem linearnosti i toplinske postojanosti (0 do > 1000 0C). Izvedbe: u cijevima dužine 250, 500, 1000 mm, žice debljine 0,3 - 6,5 mm. Materijali za rastalne osigurače Rastalni osigurač je element u strujnom krugu, koji u normalnim prilikama u strujnom krugu omogućuje tok struje, ali kad struja prijeđe kritičnu vrijednost svojim rastaljivanjem prekida strujni krug. To je najstariji oblik zaštite strujnih krugova. Po svom karakteru postoje razni strujni krugovi, razna dozvoljena opterećenja, razna preopterećenja pa i osigurači moraju biti različiti kako po svojoj veličini tako i brzini djelovanja. Postoje: a) brzi osigurači koji prekidaju strujni krug kada struja dostigne vrijednost 5 In kroz 0,1 sekunde (kratki spoj prekidaju momentalno) b) spori osigurači izdrže 10 In kroz 1 sekundu. To se postiže izborom materijala i izvedbom samog osigurača, (utjecaj ambijenta, spirale, lemljenog mjesta i slično). Materijali za rastalne osigurače Razne izvedbe rastalnih osigurača Interesantna svojstva pri izboru materijala: specifična toplina, toplina taljenja, talište, električna otpornost, toplinska provodnost. Materijali: potreban je vodljivi materijal, ali tako dimenzioniran, da omogućuje rastaljivanje kod određene prekomjerne struje. U obzir dolaze metali i legure. Srebro se može upotrijebiti za sve struje, ima točno talište, može se precizno dimenzionirati naročito za manje struje (instrumenti) < 3 A. Materijali za rastalne osigurače Legura Ag/Cu (50% / 50%) za velike struje. Bakar za opće svrhe u obliku veoma tankih žica. Aluminij je neprecizan, velika toplinska tromost, velika specifična toplina, izdrži preopterećenja, upotrebljava se za trome osigurače, niski napon i velike struje. Legura Pb/Sn (olovo/kositar) za srednje struje, mehanički mekana, ne mogu se izvlačiti tanke niti. Cink (Zn) nisko talište, ali treba biti oprezan jer pri naglom taljenju dolazi do prskanja što može uzrokovati stvaranje vodljivog sloja na površini kućišta osigurača.