接触电阻测试原理

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以前使用的PCB板焊锡区域一端只引出一根测试 引线,见图3。此方式测量的总电阻包括连接器待测 接触电阻、探头与测试点的接触电阻和引线电阻。引 线电阻可扣除,但探头与测试点的接触电阻却无法扣 除。加上多次测量的误差,导致结果不准确。
r1和r2分别为引 线和焊接区线阻
图3
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七、PCB板的设计
2 目前PCB板的设计
由于所使用的测试电流很低,所以就需要非常 灵敏的电压表来测量这种通常在微伏范围的电压降。 由于其它的测试方法可能会引起接点发生物理或电 学的变化,所以对器件的干电路测量应当在进行其 它的电学测试之前进行。如:接触电阻测试一般在 测试耐电压和绝缘电阻之前进行。
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六、影响接触电阻的因素
1 接触形式
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四、接触电阻测量原理
由于四线法测量接触电阻采用10mA/100mA的 恒流源,故测量接触电阻的实质是测量微动接触电 压。使用Chroma毫欧姆表测量接触电阻的原理见 图2:
HF:高电位施加线 LF:低电位施加线 HS:高电位检测线 LS:低电位检测线
图1
D+: Drive +
D -: Drive –
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七、PCB板的设计
S+: Sense+
图2
S -: Sense –
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四、接触电阻测量原理
图2所测电阻即为接点接触时的电阻,其中的恒 流源用来为接触区域提供电流I,电压表用来测量 P+和P-之间的电压降V,由于电压表内阻相对于所 测接触电阻来说相当大(大到使电压表上分得的电流 可以忽略不计),可以认为电压表所测电压V即为P+ 和P-之间的电压值,从而电压V与电流I的比值即为 电阻值。但由于接触区域非常小,按图中的接线得 到的是P+和P-之间的电阻值。为了使测得的数据尽 量接近真实的接触电阻值,应使得P+和P-接线端尽 量靠近接触区域 ,避免在测量结果中计入测试引线 和体积电阻产生的电压降 。
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使用电压达到一定阈值,会使接触件膜层被击 穿,而使接触电阻迅速下降。但由于热效应加速了 膜层附近区域的化学反应,对膜层有一定的修复作 用。于是阻值呈现非线性。在阈值电压附近,电压 降的微小波动会引起电流可能二十倍或几十倍范围 内变化,使接触电阻发生很大变化 。
4 PCB板设计的其他说明
通常PCB板为双面覆铜箔板,厚度一般为 1.0mm,或根据实际需要决定材料厚度,陶桥印制线 路板厂一般最薄厚度为0.8mm。
PCB板上测试引线宽度,陶桥印制线路板厂最窄 能做到0.15~0.20mm,打孔最小直径为0.4mm。所 以设计PCB板时需考虑焊锡脚之间间距。
另外,为了便于测试,测试孔间距建议为2 ~ 2.5mm,测试孔与样品距离最好在5mm以上。
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六、影响接触电阻的因素
3 接触表面的光洁度
接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响, 这主要表现在接触点数n的不同。接触表面可以是 粗加工、精加工,甚至是采用机械或电化学抛光。 不同的加工形式直接影响接触点数n的多少,并最 终影响接触电阻的大小。
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六、影响接触电阻的因素
4 接触电阻在长期工作中的稳定性
接触电阻的形式可分为三类:点接触、线接触 和面接触。接触形式对收缩电阻Rs的影响主要表现 在接触点的数目上。一般情况下,面接触的接触点 数n最大而Rs最小;点接触则n最小,Rs最大;线接 触则介于两者之间。接触形式对膜电阻Rb的影响主 要是看每一个接触点所承受的压力F。一般情况下, 在对触头外加压力F相同的情况下,点接触形式n最 小,单位面积承受压力F1最大,容易破坏表面膜, 所以有可能使Rb减到最小;反之,面接触的F1就最 小,对Rb的破坏力最小,Rb值有可能最大。在实际 情况中,需要综合以上两个因素,对接触电阻的大 小进行具体的分析判断。
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三、接触电阻的组成
3.导体电阻
实际测量电连接器接触件的接触电阻时,都是 在接点引出端进行的,故实际测得的接触电阻 还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的 导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身 的导电性能,它与周围环境温度的关系可用温 度系数来表征。
为便于区分,将收缩电阻加上表面膜电阻称为 真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称 为总接触电阻。
接触电阻测试原理及 PCB板的设计简介
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一、何为接触电阻?
接触电阻就是电流流过闭合的接触点对时 的电阻。这类测量是在诸如连接器、继电器 和开关等元件上进行的。
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二、接触电阻形成原理
在显微镜下观察连接器接触件的表面,尽管镀金 层十分光滑,则仍能观察到5-10微米的凸起部分。 会看到插合的一对接触件的接触,并不整个接触面 的接触,而是散布在接触面上一些点的接触。实际 接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及 接触压力大小,两者差距有的可达几千倍。
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四、接触电阻测量原理
接触电阻的测量一般都采用开尔文四线法原理。 开尔文四线法连接有两个要求:对于每个测试点都 有一条激励线F和一条检测线S,二者严格分开,各 自构成独立回路;同时要求S线必须接到一个有极 高输入阻抗的测试回路上,使流过检测线S的电流 极小,近似为零。见图1。图1中r表示引线电阻和探 针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路的 电流为零,在 r3,r4上的压降也为零,而激励电流 I在r1,r2上的压降不影响I在被测电阻上的压降,所 以电压表测出的电压降即为Rt两端的电压值。从而 准确测量出R t的阻值。测试结果和r无关,有效地减 小了测量误差。
在测试时流过接点的电流过大也能使接触区域 发生细微的物理变化。电流产生的热量能够使接触 点及其周围区域变软或熔解。结果,接点面积增大 并导致其电阻降低。
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五、干电路( Dry Circuit )测试
为了避免这类问题,通常采用干电路的方法来 进行接点电阻测试。干电路就是将其电压和电流限 制到不能引起接触结点的物理和电学状态发生变化 电平的电路。这就意味着其开路电压为20mV或更 低,短路电流为100mA或更低。
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六、影响接触电阻的因素
2 接触压力
接触压力F对收缩电阻Rs值和表面膜电阻Rb值的影 响最大,F的增加使接触点的有效接触面积增大,即接 触点数n增加,从而使Rs减小。当加大F超过一定值时, 可使触头表面的气体分子层吸附膜减少到2~3个;当 超过材料的屈服压强时,产生塑性变形,表面膜被压碎 出现裂缝,从而增加了接触面积,这就使收缩电阻Rs因 表面膜电阻Rb的减小而下降, Rs和Rb同时减小,从而 使接触电阻大大下降。相反,当接触不到位、接触触头 失去了弹性变形等原因使接触压力F下降时,接触面积 减小,收缩电阻Rs增大,表面膜电阻Rb受F的破坏作用 减弱或不受其影响,从而使表面膜电阻Rb增大。同时因 Rb增大,使接触面积减小,从而使接触电阻增大,二者 的综合作用使接触电阻整体上升。
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六、影响接触电阻的因素
5 温度
当接触点温度升高时,金属的电阻率就会有所 增大,但材料的硬度有所降低,从而使接触点的有 效面积增大。前者使收缩电阻Rs增大,后者使Rs减 小,结果是两者互为补偿,故接触电阻变化甚微。 但是,发热使接触面上生成氧化层薄膜,增加了接 触电阻,这种接触电阻可成百成千倍地增大。其氧 化速度与触头表面温度有关,当发热温度超过某一 临界温度时,这个过程就会加速进行,这就限制了 接触面的极限允许温度。否则,则将使接触电阻剧 增,会引起恶性循环。另外,当发热温度超过一定 值时,弹簧接触部分的弹性元件会被退火,使压力 降低,也会使接触电阻增加,恶性循环加剧,最后 会导致连接状态遭到破坏 。
电阻接触在长期工作中要受到腐蚀作用: (1)化学腐蚀。电接触的长期允许温度一般都 很低,虽然接触面的金属不与周围介质接触,但周 围介质中的氧会从接触点周围逐渐侵入,并与金属 起化学作用,形成金属氧化物,从而使实际接触面 积减小,使接触电阻增加,接触点温度上升。温度 越高,氧分子的活动力越强,可以更深地侵入到金 属内部,这种腐蚀作用变得更为严重; (2)电化学腐蚀。不同的金属构成电接触时, 能够发生这种腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中, 造成负电极金属的腐蚀。
当电流超过一定值时,接触件界面微小点处通 电后产生的焦耳热作用而使金属软化或熔化,会对 集中电阻产生影响,随之降低接触电阻。
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七、PCB板的设计
1 以前PCB板的设计
对于用毫欧姆表的测试夹头不能直接夹持或不能 在样品上直接焊接测试引线的样品,一般会将样品焊 接在一个专门测试接触电阻用的PCB板上,通过PCB 板上的测试引线来测量接触电阻。
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六、影响接触电阻的因素
6 材料性质
构成电接触的金属材料的性质,直接影响接触 电阻的大小,比如:电阻率ρ、材料的布氏硬度HB、 材料的化学性质、材料的金属化合物的机械强度等。 以我国普遍使用的铜为例,铜有良好的导电和导热 性能,其强度和硬度都比较高,熔点也较高,易于 加工。因此铜线接头在接触良好的情况下,温度低 于无接头部位的温度;但在高温下,其在大气或变 压器油中也能氧化,生成Cu2O,其导电性很差,氧 化膜厚度随着时间和温度的增加而不断地增加,接 触电阻也成倍地增加,有时甚至使用闭合电路出现 断路现象。
实际上,在大气中不存在真正洁净的金属表面,即 使很洁净的金属表面,一旦暴露在大气中,便会很 快生成几微米的初期氧化膜层。例如铜只要2-3分钟, 镍约30分钟,铝仅需2-3秒钟,其表面便可形成厚度 约2微米的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金,由 于它的表面能较高,其表面也会形成一层有机气体 吸附膜。此外,大气中的尘埃等也会在接触件表面 形成沉积膜。因而,从微观分析任何接触面都是一 个污染面。
如果测试引线的排布不受样品本身结构限制(如: 焊锡脚间距、焊锡脚一侧PCB板是否被挖掉等),应 尽量避免将PCB板测试引线设计为图5所示。图5设计 方式会使电压降探测点实际在焊接区一端,导致测量 出的接触电阻中包含焊接区一段电阻r2。电阻r2的大 小与焊接区长短、宽窄和材料等有关。
图5
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七、PCB板的设计
实际接触面可分为两部分:一是真正金属与金属 直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接触微点, 亦称接触斑点,它是由接触压力或热作用破坏界面 膜后形成的。此部分约占实际接触面积的5-10%。二 是通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为 任何金属都有返回原氧化物状态的倾向。
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二、接触电阻形成原理
根据四线法原理,在PCB板焊锡区域两端分别引 出一根测试引线,一根作电压降探测线,另一根作恒 流源线,见图4。此方式测量的总电阻不包括探头与 测试点的接触电阻和引线电阻。减少了因测量引线电 阻引入的误差,使测量结果更接近真实值。
待测电阻另 一端连线方 式相同
图4
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七、PCB板的设计
3 应尽量避免的四线法设计方式
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三、接触电阻的组成
综上所述,接触电阻一般由收缩电阻、 表面膜电阻和导体电阻组成。
1.收缩电阻
收缩电阻是电流在流经电接触区域时,从原来 截面较大的导体 突然转入截面很小的接触点, 电流发生剧烈收缩现象(或集中现象),此现 象所呈现的附加电阻称为收缩电或集中电阻。
2.表面膜电阻
由于接触表面氧化膜层及其他污染物所构成的 电阻称为膜层电阻或界面电阻。
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六、影响接触电阻的因素
6 材料性质
因此铜不适合于做非频繁操作电器的触头材料, 对于频繁操作的接触器,电流大于150A时,氧化膜 在开闭时产生电弧的高温作用下分解,可采用铜触 头。从整体减小接触电阻的角度看,可在铜上镀银、 镶银或锡,后两者的优点是电阻率及材料的布氏硬 度值小,氧化膜机械强度很低,因此铜件上采取此 措施可减小接触电阻 。
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五、干电路( Dry Circuit )测试
我们使用Chroma毫欧姆表进行低功率接触电 阻时,为什么在“Dry” 档位一般选择“ON”呢?
通常,测试接触电阻的目的是确定接触点氧化 或其它表面薄膜积累是否增加了被测器件的电阻。 即使在极短的时间内器件两端的电压过高,也会破 坏这种氧化层或薄膜,从而破坏测试的有效性。击 穿薄膜所需要的电压电平通常在30mV到100mV的 范围内。
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