Cálculo de la disipación de potencia máxima basada en el área de contacto entre dos conductores metálicos

Estoy tratando de averiguar cómo calcular correctamente el área de superficie de contacto mínima en función de la disipación de energía máxima requerida. Dejame explicar..

Estoy creando una pestaña de metal semicircular personalizada que hace una conexión eléctrica a una tira de metal. La pestaña de metal se conectará a un sistema que disipa 7 vatios. Suponiendo que sé que necesito admitir un consumo de corriente de potencia máxima de ~.55A @ 12 V (de aquí es de donde proviene la disipación de potencia de ~7W), ¿cómo puedo calcular mejor el tamaño del área de superficie de contacto que los dos metales los contactos deben compartir para admitir la disipación de corriente especificada. Por favor, vea el dibujo muy crudo a continuación. Estoy tratando de determinar el área de la superficie de contacto resaltada en el círculo azul.

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Aquí están los dados...

  1. Tengo control sobre la elección del metal tanto para el contacto como para la tira.

  2. Puedo decidir el grosor y el tamaño de ambos contactos.

  3. Se puede tolerar una caída de voltaje de no más de 0,5 voltios

  4. Se puede tolerar un aumento de temperatura de no más de 10 C.

  5. La carga tiene un consumo de corriente de ~0,55 A a 12 V (es decir, ~7 W)

No estoy buscando a nadie que haga el trabajo por mí, solo estoy buscando ayuda con las ecuaciones adecuadas para usar. Gracias.

¿Cuánta corriente necesitas? Los contactos se especifican por corriente, no por potencia. ¿O el voltaje es negociable, si tiene una fuente de alimentación conmutada? En segundo lugar, aclare si hay alguna transferencia de calor desde la caja de 7 W a los rieles, o solo energía.
Se trata de la resistencia de contacto puntual. Espero que sus contactos no disipen 7 vatios, si esa es su carga. Incluso las escobillas de carbón conducirían su carga prácticamente sin calentamiento. Casi cualquier conductor común estaría bien, incluso los dedos en un conector de borde serían excesivos. Pero desea algo enchapado para evitar la oxidación y un contacto cada vez más deficiente, y algo que no pierda su resorte con el tiempo ... nuevamente, los dedos de un conector de borde deberían estar bien.
@tomnexus, la carga funciona a 12 V, lo que significa un consumo de corriente de 0,58 A. Y no, es solo la conexión de alimentación. Puedo ver cómo podría haber formulado mal la pregunta. Realmente estoy más preocupado por poder manejar el sorteo actual.
Gracias. La última pregunta es cuánto necesita moverse, si es que lo hace, y qué tan rápido. Para los contactos estáticos, funcionaría un resorte de alambre simple en una tira delgada de latón, piense en el terminal de la batería en una linterna. Para el movimiento continuo, necesita una escobilla de carbón con resorte, más como un conmutador de motor. El aumento de temperatura será fácil, la confiabilidad con el tiempo y el uso serán más difíciles, y la fabricación de bajo costo será más difícil.
Podemos suponer un movimiento mínimo. Tendrá que ser una tira, no un cepillo.
Además, si se trata de una tira, puedo especificar que debe haber al menos X * Y del área de contacto de la superficie para admitir un consumo de corriente máximo de 0,55 A a 12 V, que es mi objetivo final.
¿La carga que maneja es inductiva o parcialmente capacitiva? Esto conduciría a la formación de arcos durante el apagado/encendido.
¿Existen restricciones ambientales menos comunes, como saturación de humedad, (vapor) químicos, vibración, grandes variaciones de temperatura?
@christoph No creo que esto sea un problema.
@Nicolas DI solo estoy tratando de crear una estimación aproximada, por lo que estoy ignorando las limitaciones ambientales.
Considere también que la sección de los cables que terminan en los contactos no tiene por qué ser constante: si el contacto es pequeño, tendrá una mayor resistencia, pero el calor se puede disipar si el cable aumenta inmediatamente. Por supuesto, esto afecta solo el aumento de temperatura final y no la caída de voltaje.
Si desea diseñar su contacto sobre una base puramente teórica, lo más probable es que tenga que hacer un análisis de elementos finitos. Si también es posible una solución empírica, obtenga un montón de interruptores con las especificaciones adecuadas y analícelos en detalle.
Mire el contacto en la batería de un teléfono celular. Están clasificados para una corriente intermitente bastante alta (necesaria para cargar los condensadores de almacenamiento durante la transmisión). A mí esos contactos me parecen pequeños pero nunca los he visto fallar. El contacto en USB puede manejar 2A y funciona porque tiene una acción de limpieza y una presión decente. Creo que la investigación comparativa sería la solución más barata.

Respuestas (1)

Necesita calcular resistencias de contacto para encontrar una respuesta a su pregunta.

La resistencia de contacto se divide en dos partes. Resistencia proveniente de la pequeña ranura:

Λ ≈ 3 , 7 mi ∗ ⋅ ρ ⋅ yo ⋅ F norte

siendo Lambda la conductividad en Siemens, E* el módulo E efectivo de sus materiales, rho la resistencia específica del metal y Fn la fuerza normal exhibida por el contacto. l es la raíz cuadrada media de la altura de la superficie (también conocida como rugosidad).

El módulo E efectivo se aproxima por

mi ∗ = mi 2 ⋅ ( 1 − v 2 )

siendo nu la relación de Poisson.

Verá, en esta fórmula el área de contacto no aparece. Es mucho más importante alcanzar una fuerza de contacto suficiente.

La otra parte es la resistencia de las capas superficiales, como los óxidos. Si recurres a superficies de oro o paladio puedes descuidarlo. De lo contrario, es difícil o incluso imposible de calcular. Si tiene al menos un movimiento mínimo entre las superficies de contacto, las capas de óxido pueden romperse. Otra forma de deshacerse de los óxidos es llegar a la corriente humectante. AFAIK las corrientes de humectación están en el rango de un solo mA para muchos contactos. Así que esto quizás no sea un problema para ti.

Para tener una idea de cómo se conectan la fuerza y ​​la resistencia, recomiendo ver un montón de hojas de datos de fabricantes de contactos cargados por resorte. Kitagawa tiene algunos con ambos valores, y PTR también proporciona corrientes máximas.

Muestra de datos de contacto (PTR)

Contactos de puesta a tierra de Kitagawa

Cálculo de la disipación de potencia máxima basada en el área de contacto entre dos conductores metálicos
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