تجزیه و تحلیل رسانایی الکتریکی و حرارتی در یک سوئیچ تماسی

سوئیچ تماسی برای تنظیم عبور یا عدم عبور جریان الکتریکی از منبع برق و ورود به دستگاه الکتریکی استفاده می شود. این سوئیچ ها در بسیاری از انواع تجهیزات یافت می شوند و از آنها برای کنترل، به عنوان مثال، خروجی برق از پریز دیواری به دستگاه در هنگام اتصال به برق استفاده می شود. جریان عبوری از صفحه مدار کامپیوتر؛ یا برقی که یک لامپ را هنگام روشن کردن سوئیچ روشن می کند. به دلیل شیوع، شبیه سازی سوئیچ های تماسی یک گام اساسی در طراحی برنامه های الکترونیکی است. از آنجایی که مفهوم مورد استفاده در طراحی آن‌ها حتی با اجرای اجزای پیچیده‌تر یکسان باقی می‌ماند، می‌توان از یک مدل ساده برای ارائه یک درک اساسی از نحوه عملکرد سوئیچ تماسی استفاده کرد. ما می توانیم چنین شبیه سازی را در گالری مدل خود بیابیم و می توانیم از این مدل برای کشف مکانیک،

کلید تماسی که توزیع دما و چگالی جریان را در سوئیچ نشان می دهد.

مفاهیم سوئیچ کنتاکت: تماس مکانیکی و تماس الکترو حرارتی

اصل کار در پشت سوئیچ تماسی ساده است – دو قطعه فلزی رسانا با اختلاف ولتاژ الکتریکی در بین آنها در تماس قرار می گیرند و اجازه می دهند جریانی بین آنها جریان یابد. سطوح فلزی دو جزء که با یکدیگر تماس دارند، کنتاکت نامیده می شوند و هنگامی که اتصال بین دو کنتاکت قطع شود، جریان از جریان می افتد.

جریان جریان بین دو کنتاکت به دلیل اثر گرمایش ژول به افزایش دما در سوئیچ کمک می کند . برای مثال، هرکسی که پس از راه‌اندازی جاروبرقی، دوشاخه برق گرم را احساس کرده است، این اثر را تجربه کرده است. گرمایش سوئیچ تماسی می تواند خواص مواد فلز و همچنین سطح تماس را تغییر دهد و بنابراین یک اثر مهم است که هنگام مدل سازی کلید باید در نظر گرفته شود. بالا رفتن بیش از حد دما حتی می تواند باعث سوختن سوئیچ شود، به این معنی که سوئیچ دیگر کار نمی کند. بنابراین، تجزیه و تحلیل قابلیت حمل جریان آن به منظور جلوگیری از این اتفاق مهم است. همچنین در نظر گرفتن این نکته مهم است که وقتی دو قطعه فلزی با هم تماس پیدا می کنند، سطوحی که با یکدیگر تماس دارند، فشار مکانیکی یا فشار تماس را تجربه می کنند . این فشار مکانیکی روی کنتاکت ها می تواند خواص الکتریکی و حرارتی مواد را به صورت محلی در اطراف ناحیه اطراف کنتاکت ها تغییر دهد. بنابراین، به منظور شبیه‌سازی دقیق قابلیت حمل جریان و افزایش دما در کلید، مهم است که رویکرد جامع‌تری در شبیه‌سازی اتخاذ کنیم و اثر فشار تماس را برای محاسبه رسانایی الکتریکی و حرارتی سطوح تماس در نظر بگیریم.

بیایید دریابیم که چگونه می توانید همه این مفاهیم را با هم ترکیب کنید تا یک سوئیچ تماسی را مدل کنید.

مدلسازی رسانایی الکتریکی، مکانیکی و حرارتی در یک سوئیچ تماسی

ابتدا به هندسه و مواد مورد استفاده برای ساخت سوئیچ کنتاکت نگاه می کنیم. سوئیچ از مس ساخته شده است، با دو عنصر استوانه ای ثابت و یک منطقه مرکزی که در آن کنتاکت ها قرار دارند. در انتهای هر کنتاکت قلاب های صفحه ای وجود دارد که امکان تماس بین دو قطعه را فراهم می کند. در شبیه سازی، پتانسیل الکتریکی 1 میلی ولت به سمت چپ سوئیچ اعمال می شود، در حالی که سمت راست به زمین متصل می شود. هندسه سوئیچ کنتاکت در زیر نشان داده شده است:

هندسه سوئیچ کنتاکت، دو بدنه استوانه ای ثابت و کنتاکت ها را در مرکز نشان می دهد.

سطوح در معرض سوئیچ به دلیل تعامل با هوا از طریق همرفت طبیعی گرما را از دست می دهند . در شبیه‌سازی، این با تعیین ضریب انتقال حرارت و دمای محیط هوای اطراف مدل‌سازی می‌شود (شبیه‌سازی بلندپروازانه‌تر ممکن است شامل جریان سیال هوا نیز باشد). این مدل ابتدا تماس ساختاری را حل می کند تا فشار تماس روی سطوح تماس را بدست آورد. سپس از این نتایج برای محاسبه رسانایی الکتریکی و حرارتی سطوح تماس در یک شبیه‌سازی گرمایش ژول استفاده می‌شود.

می‌توانیم از شبیه‌سازی برای تجزیه و تحلیل توزیع پتانسیل الکتریکی در سوئیچ مانند شکل زیر استفاده کنیم:

مشخصات توزیع پتانسیل الکتریکی در سوئیچ تماسی.

همانطور که انتظار می رود، پتانسیل الکتریکی از 0 ولت (زمین) در سمت راست تا 1 میلی ولت اعمال شده در سمت چپ متغیر است.

در ابتدا، سوئیچ تماسی در دمای اتاق (293.15 K، 68 درجه فارنهایت، یا 20 درجه سانتیگراد) فرض می شود. اختلاف پتانسیل بین دو جزء در سوئیچ یک جریان جریان ایجاد می کند که به نوبه خود منجر به گرمایش ژول می شود. این باعث افزایش دما در سوئیچ می شود. اگر کلید را برای مدتی روشن بگذارید، توزیع دما در سوئیچ به حالت تعادل می رسد که در شکل زیر نشان داده شده است:

توزیع دما در سوئیچ کنتاکت.

در این مدل، گرمایش ژول باعث می‌شود که دمای سوئیچ حدود 5 کلوین بالاتر از دمای اتاق باشد، اگرچه تنها یک تغییر دمای کوچک در خود سوئیچ دیده می‌شود. معرفی اثر هدایت الکتریکی و حرارتی به ما امکان می دهد افزایش دما را با دقت بیشتری پیش بینی کنیم. شبیه سازی همچنین نشان می دهد که سوئیچ در ناحیه تماس کمی داغتر می شود.

اگر هم به توزیع دما در ناحیه تماس و هم به چگالی جریان در سوئیچ نگاه کنیم، می‌توانیم نتایج زیر را مشاهده کنیم:

توزیع دما (نقشه سطحی) و چگالی جریان (روشن) در منطقه تماس.

شبیه سازی تأیید می کند که در جایی که دو قلاب در مرکز سوئیچ با هم تماس دارند، جریان الکتریکی (که به صورت خطوط جریان نشان داده شده است) از یک قلاب به قلاب دیگر منتقل می شود.

گسترش شبیه سازی با استفاده از COMSOL Multiphysics

در این شبیه‌سازی، نشان دادیم که چگونه فشار تماسی بین دو کنتاکت می‌تواند بر رفتار هدایت الکتریکی و گرما در یک سوئیچ تماسی تأثیر بگذارد. در برخی موارد، انجام تجزیه و تحلیل عمیق تر با در نظر گرفتن اثرات فیزیکی بیشتر ممکن است سودمند باشد. این را می توان با استفاده از شرایط مرزی تماس الکتریکی و حرارتی که به COMSOL نسخه 4.3b اضافه شده است، انجام داد. با این ویژگی‌های جدید، می‌توانیم تحلیل‌های اضافی مانند:

• اندازه گیری درجه تغییر رسانایی الکتریکی یا حرارتی در رابطه با تغییر فشار روی سطح تماس، یا تغییر در زبری و سختی سطح، با ویژگی رسانایی انقباضی
• آزمایش اینکه چگونه یک لایه نازک از هوا، خاک یا مایع بین سطوح تماس، رسانایی الکتریکی و حرارتی را با استفاده از ویژگی Gap Conductance تغییر می‌دهد.
• اندازه گیری تشعشعاتی که می تواند در سراسر شکاف میکروسکوپی بین دو تماس رخ دهد بسته به اینکه دمای سیستم چقدر گرم شده است، با استفاده از ویژگی رسانایی تابشی

همچنین می‌توان ویژگی‌های بیشتری را به این شبیه‌سازی اضافه کرد، مانند وابستگی به دما خواص مواد و انبساط حرارتی در نتیجه گرمایش ژول.

هر یک از این ویژگی‌های جدید را می‌توان به مدل اضافه کرد تا شبیه‌سازی دقیق‌تر برای محیط و کاربرد خاصی که در آن مورد استفاده قرار می‌گیرد ساخته شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد پیاده سازی این ویژگی ها، می توانید در وبینار آینده شبیه سازی تعامل حرارتی-ساختار که در ¹⁵ آگوست توسط همکار من Supratik Datta و Kyle Koppenhoefer از AltaSim Technologies برگزار می شود، شرکت کنید.

دانلود مدل

قبل از شرکت در وبینار، می‌توانید مدل سوئیچ کنتاکت، شبیه‌سازی تماس چندفیزیکی در یک هادی قدرت را از گالری مدل دانلود کنید تا نحوه شبیه‌سازی برهم‌کنش‌های مکانیکی، الکتریکی و حرارتی در سوئیچ کنتاکت را بررسی کنید.