Informe técnico: Fenómeno del arco de contacto

¿Qué es exactamente un arco eléctrico? ¿Cómo se enciende y qué hace que se extinga? ¿Cómo afecta un arco a la vida útil de los contactos de relevador?

Estas son algunas de las preguntas que analizaremos aquí. Esperamos ayudarlo a comprender mejor cómo obtener la mayor vida útil posible de contactos de relevador como estos.

Pero primero, tomemos un minuto para definir algunos de los términos que usaremos.

En primer lugar, la “constricción”se refiere a la primera y diminuta área de la superficie de contacto de cierre y al último punto de apertura.

El voltaje de fusión es la cantidad de voltaje que existe a través de la constricción que causará una corriente suficiente para licuar el material de contacto en la constricción.

El voltaje de arco es la cantidad de voltaje que existe en los contactos separados por un pequeño espacio que provocará una descarga eléctrica a través del espacio.

Y, por último, la corriente de arco es la cantidad de corriente necesaria para sostener un arco causado por la descarga eléctrica de voltaje de arco.

Ahora, tenga en cuenta estos términos mientras lo llevamos al mundo de los contactos de relevador, un entorno bastante duro. Echemos un vistazo microscópico a los efectos del arco de contacto.

Como ya se sabe, el resultado final del arco de contacto es una menor vida útil del contacto. Dependiendo de la gravedad y la duración del arco, cada vez que un arco se enciende, se produce erosión por contacto. Esta erosión ocasiona una pérdida de material de contacto que dará lugar a una de dos condiciones.

La condición n.° 1 se produce cuando se pierde tanto material de los contactos que no logran cerrar eléctricamente el circuito de carga. La condición n.° 2 se produce cuando un contacto pierde tanto material con respecto al otro contacto que se produce una condición de pico y cráter.

El término sincronización, relacionado con la conmutación de carga de CA, se utiliza varias veces en esta nota de aplicación. En este contexto, la sincronización consiste en el funcionamiento de un relevador de tal manera que los contactos se cierran o abren (o ambos) en el mismo punto de la forma de onda de voltaje de alimentación de carga, o principalmente en la misma polaridad de la onda sinusoidal de voltaje de carga.

Dicha sincronización dará lugar a la transferencia neta de material de contacto entre los contactos. Esto aumenta la probabilidad de bloqueo mecánico y soldadura de contactos y, por lo tanto, reduce la vida útil esperada del contacto. Todas nuestras calificaciones publicadas y los resultados de las pruebas de vida útil se basan en la conmutación aleatoria en relación con la frecuencia de suministro de carga, a menos que se especifique lo contrario.

La sincronización accidental de los contactos con la frecuencia de la línea puede deberse a las siguientes situaciones, entre otras:

• Microcontroladores sincronizados con la frecuencia de la fuente de alimentación.
• Tiristores sincronizados con la frecuencia de la fuente de alimentación.
• Filtrado insuficiente de la fuente de suministro de CC que acciona la bobina.
• Ruido de frecuencia de línea inducido en circuitos de sensores. 

Tenga cuidado en el diseño del circuito, ya que un circuito de "cruce cero" diseñado incorrectamente puede ocasionar el cierre del contacto, y especialmente el rebote, durante un flujo de corriente más alto y en la misma polaridad.

Otro resultado del arco intenso que puede ocurrir de vez en cuando es la soldadura de los contactos. Por lo general, sin embargo, cuando esto sucede, da cuenta de que el relevador se aplicó de manera incorrecta en un circuito donde el voltaje o la corriente son mucho mayores que lo que ese relevador en particular puede administrar.

Con respecto a una condición de pico y cráter, cuando la condición se vuelve lo suficientemente grave, el punto alto, es decir, el pico, puede desconectarse mecánicamente en el borde del cráter. Luego, cuando se desenergiza el relevador, los contactos no se abren y la carga está en una condición de encendido sin control. No hace falta decir que esta es una situación indeseable.

Por lo general, una condición de transferencia de material de pico y cráter se asocia con una aplicación de corriente continua. Pero estamos empezando a notar que incluso en algunas aplicaciones de corriente alterna, se evidencia la transferencia de material de pico y cráter. Esto se debe a que, en estas aplicaciones, los relevadores funcionan en sincronización con el voltaje de la línea de CA. Esta sincronización generalmente es el resultado de la sincronización con la línea de CA de la lógica de estado sólido o el circuito de microcomputadora que acciona el relevador. Si la sincronización simplemente ocurre en el pico de voltaje de la línea, o cerca de este, entonces cada vez que los contactos del relevador funcionan, lo hacen a 170 o 340 voltios, o a un valor cercano, dependiendo, por supuesto, de si el voltaje de la línea es de 120 o 240 voltios.

Si la aplicación requiere que el reloj del circuito se sincronice con la línea de CA, se deben incluir circuitos adicionales para efectuar el funcionamiento aleatorio del relevador. O bien, la sincronización puede establecerse para que los contactos del relevador se abran en la corriente cero, o cercana a cero.

Solo un comentario adicional con respecto a la transferencia de material de pico y cráter. No suponga automáticamente que este tipo de transferencia es el resultado del arco de contacto. Es posible que no lo sea. Incluso en circuitos en los que no se enciende ningún arco, puede ocurrir una transferencia de material. Esto se debe a que el voltaje del circuito es mayor que el voltaje de fusión del material de contacto y cuando los contactos simplemente se unen o se separan, el material se derrite, se traslada del contacto más caliente (ánodo) al contacto más frío (cátodo) y permanece allí. En una aplicación de CA donde el funcionamiento es verdaderamente aleatorio, el material se transfiere primero en una dirección y luego en la dirección contraria. El resultado neto no es un aumento considerable de material en ninguno de los contactos. Pero en una aplicación de CC o en una aplicación donde el relevador está sincronizado con la línea de CA, la transferencia de material siempre se produce en la misma dirección y puede dar lugar a una condición de pico y cráter.

Cuando un arco se enciende, la transferencia de material se produce del contacto del cátodo al contacto del ánodo. Por lo tanto, en cualquier funcionamiento dado del contacto, antes de que un arco se encienda, el material se transfiere del ánodo al cátodo, y luego, cuando el arco se enciende, el material se transfiere del cátodo al ánodo. La cantidad de transferencia suele ser mayor durante el arco. Sin embargo, tenga en cuenta que, como se acaba de explicar, y esto es importante, en una aplicación de CA verdaderamente aleatoria, el aumento neto de material de cualquier contacto es insignificante, mientras que en una aplicación de CC o en una aplicación sincronizada con la línea de CA, puede haber un aumento de material significativo en un contacto.

Ahora, echemos un vistazo a lo que sucede en el cierre de contacto. Si pudiera examinar la superficie de un contacto de relevador bajo un microscopio de alta potencia, vería que la superficie es bastante irregular, que consiste en puntos bajos profundos y muchos puntos altos, con algunos puntos más altos que otros. 

Cuando los contactos se unen, el primer punto alto para hacer contacto está sujeto a una corriente de carga completa. Si la corriente de carga es incluso una fracción de un amperio, el calor I²R generado en este punto alto hace que el punto alto se derrita instantáneamente y tal vez incluso hierva. El aire que rodea el punto alto se sobrecalienta y comienza a ionizarse por la pérdida de electrones. Si la energía I²R es suficiente, el punto alto puede alcanzar una temperatura de 5000 Kelvin o más y puede explotar, y dejar aire ionizado sobrecalentado e iones metálicos en el espacio entre los contactos. Dependiendo del material de contacto y la tensión de voltaje en este espacio de aire, es decir, el voltaje de contacto en el instante de la explosión, el espacio de aire ionizado puede comenzar a conducir la corriente de electrones del cátodo al ánodo. Esta descarga eléctrica entre contactos es en realidad el comienzo de un arco. Si la corriente de carga es superior a la clasificación de corriente de arco del material de contacto, el arco contendrá suficiente energía para sostenerse. De lo contrario, la descarga entre contactos no causará una ignición por arco.

Si un arco se enciende, debido al efecto Thompson se produce un gradiente de temperatura a lo largo de la columna de arco, y el cátodo es el contacto más caliente. Es decir, el calor fluirá del cátodo al ánodo. El punto del cátodo en el que el calor I²R es mayor puede hervir, y por consiguiente, producir emisiones atómicas e incluso moleculares. Estas emisiones se desplazan a través de la columna de arco y se depositan en el contacto del ánodo ligeramente más frío. Esto, por supuesto, es el principio de soldadura por arco. Todo esto sucede quizás en diez nanosegundos o más, a medida que los contactos continúan moviéndose juntos.

El arco existe hasta el o los siguientes puntos altos de cierre. Una vez más, el calor en estos puntos altos puede hacer que se derritan. Cuando esto sucede, comienzan a extenderse, lo que aumenta el área de contacto. A medida que los contactos se mueven juntos con fuerza, este metal licuado puede salpicar, lo que da como resultado una pérdida de material. A medida que el metal fundido entre los contactos se enfría, los contactos se congelan juntos de la manera habitual. A diferencia de la soldadura grave que puede ocurrir cuando un relevador se aplica incorrectamente, esta soldadura es débil y se rompe fácilmente por la acción de las fuerzas del resorte del relevador cuando el relevador se desenergiza. Ahora, ¡haga memoria! ¿Qué tenía que pasar realmente antes de que el arco pudiera encenderse? ¿La corriente de carga o el voltaje eran responsables del arco? Bueno, ciertamente el arco debe tener un medio a través del cual desplazarse, y el espacio ionizado entre los contactos es ese medio. Ciertamente, fue el calentamiento de la corriente de carga de un punto alto de contacto lo que causó los iones. Pero fue el voltaje que existía en el espacio de contacto lo que provocó la ignición por arco. Este voltaje no necesariamente es voltaje de carga. Puede ser voltaje de circuito. Es decir, en el cierre del contacto puede haber una cierta cantidad de capacitancia en el circuito que se cargará a través de los contactos. 

Además, si se utiliza un condensador de supresión de arco a través de los contactos, esta capacitancia se descargará a través de los contactos del relé.

La corriente de sobretensión de descarga puede ser de cientos de amperios durante unos pocos nanosegundos o más. Para limitar tales corrientes de descarga, un condensador de supresión de arco debe tener una cierta cantidad de resistencia en serie incorporada. Sin embargo, en circuitos donde no hay capacitancia dedicada, todavía puede haber suficiente capacitancia perdida para causar una sobrecorriente momentánea en el cierre del contacto. Este hecho a menudo es pasado por alto por muchos diseñadores de circuitos.

Un arco se enciende de manera similar en la apertura del contacto. A medida que los contactos comienzan a separarse, el área de contacto que transporta la corriente de carga es cada vez menor. La corriente de carga comienza a canalizarse en esta área constreñida y el calor I²R comienza a aumentar. El último punto de contacto se derrite y, a medida que los contactos continúan separándose, se extiende un delgado puente de metal fundido entre los contactos. El aire del espacio comienza a ionizarse. La energía I²R del puente genera tanta energía que el puente literalmente explota, e impregna el espacio con iones metálicos. Una vez más, si el voltaje de contacto es suficiente, se encenderá un arco.

Los diferentes materiales de contacto tienen diferentes clasificaciones de voltaje de arco. En el caso de la plata fina, el voltaje de arco es de 12 voltios. En el caso del cadmio, es de 10 voltios; y en el caso del oro y el paladio es de 15 voltios. Supongamos que los contactos son de plata fina. Dentro de los nanosegundos posteriores al momento en que el puente fundido explota, si el material es de plata y si el voltaje del circuito es de 12 voltios o más, se produce una ruptura de voltaje. Si el voltaje del circuito es inferior a 12 voltios, la ruptura no puede ocurrir y no se producirá el arco.

Cuando un arco se enciende entre los contactos que se están separando, este se mantendrá mientras haya suficiente energía para alimentarlo. Mientras exista el arco, la transferencia de material continuará. En una aplicación de corriente continua, el arco solo se puede extinguir si se lo extiende hasta una longitud tal que su propia impedancia haga que se extinga, o mediante la apertura del circuito en algún otro punto. Sin embargo, en muchas aplicaciones, el espacio de contacto es lo suficientemente ancho como para que el arco se extinga antes de que los contactos se hayan abierto por completo. Es por esta razón que los relés de determinada clasificación de contacto se clasificarán para, por ejemplo, 120 voltios de CA, pero tendrán una clasificación de voltaje de CC considerablemente más baja, generalmente 28 o 30 voltios de CC. Es decir, el espacio es lo suficientemente ancho como para que, dada la oscilación periódica hasta el valor cero de la corriente alterna, cualquier arco de CA se extinga rápidamente. Pero el espacio no sería lo suficientemente ancho como para que un arco de CC de 110 voltios se extinguiera.

En una aplicación de CA, dependiendo de la temperatura del aire ionizado, a pesar de que la corriente de arco disminuye a cero cada medio ciclo, el arco puede reactivarse después de la corriente cero. Esto se debe a que todavía existen iones positivos entre los contactos y no se requiere mucha energía para reactivar el arco.

Durante mucho tiempo se ha reconocido que, en comparación con la plata fina, los contactos de plata-óxido de cadmio tienen una vida útil superior en presencia de un arco. Una teoría indica que dado que los materiales recubiertos de óxido producen iones negativos cuando se calientan lo suficiente, los iones negativos producidos por el material de plata-óxido de cadmio generan una recombinación temprana de los iones positivos después de la corriente cero. Esta recombinación hace que el arco se extinga antes y puede evitar la reactivación después de la corriente cero. Esto parece indicar que en una aplicación de CA donde el arco es predecible, los contactos de plata-óxido de cadmio protegidos con un método apropiado de supresión de arco deberían producir una buena vida útil de contacto. No abordaremos técnicas de supresión de arco aquí porque ese es el tema de otra nota de aplicación titulada “Protección de contactos de relé". Todo lo que diremos sobre la supresión de arco aquí es que la supresión apropiada puede traducirse en una mayor vida útil del contacto. Además, al suprimir el arco, la interferencia electromagnética (EMI) se mantiene al mínimo. EMI es el resultado de la acción atómica en la columna de arco. En un arco de plasma, la superficie de los contactos es bombardeada por átomos, iones positivos y negativos, y electrones, algunos de los cuales pueden acelerarse al pasar a través del campo eléctrico, y algunos de los cuales pueden causar la emisión secundaria de electrones que pueden irradiar energía a través de un amplio espectro de frecuencias. Al apagar el arco rápidamente, esta acción se mantiene al mínimo. El resultado a menudo es una cantidad considerablemente menor de interferencia electromagnética y de radiofrecuencia.

En resumen, para lograr la máxima vida útil de los contactos del relé en casos de arco de contacto, los aspectos más importantes son la aplicación adecuada del relé y los contactos, y el posible uso de métodos de supresión de arco.

Tenga cuidado con las aplicaciones de CA donde el relé está sincronizado con el voltaje de la línea de CA. Si la sincronización es inevitable, configure el reloj para que el funcionamiento de los contactos del relé se produzca a una corriente de cero o cercana a cero.

Cuando las condiciones de arco intenso son predecibles, elija un relé que tenga material de contacto de plata y cadmio.