Kleine und mittlere elektrische Last

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Kleine und mittlere elektrische Last

Schaltvorgänge bei kleinen und mittleren elektrischen Lasten treten z.B. in Relais und Schaltern der Messtechnik, Informationstechnik, Kfz-Technik und Hausgerätetechnik auf. Die Schaltspannung liegt dabei üblicherweise zwischen μV und 400 V, der Schaltstrom zwischen μA und ca. 100 A.

Mit Hilfe der empirisch ermittelten Lichtbogengrenzkurven lassen sich typische Schaltvorgänge voneinander unterscheiden. Wie aus Figure 1 hervorgeht, hängt es von Strom und Spannung ab, ob ein lichtbogenfreies Schalten, eine Glimmentladung, ein instabiler kurzer Lichtbogen oder ein voll ausgebildeter Lichtbogen auftritt. Die Strom-Spannungsverläufe sind dabei abhängig vom verwendeten Kontaktwerkstoff. Weitere Einflussgrößen sind Kontaktabstand und Schaltatmosphäre, wobei letztere im vorliegenden Anwendungsfall Luft ist.

Lichtbogengrenzkurve (schematisch)) 1. lichtbogenfreies Schalten
2. instabile, kurze Lichtbögen
3. Glimmentladung
4. voll ausgebildete Lichtbögen

Bei der unterschiedlichen Beanspruchung der Kontaktstücke in den verschiedenen Anwendungen erscheint es zweckmäßig, die gesamte Breite der möglichen Lastbereiche in Anlehnung an die Lichtbogengrenzkurven in vier Teilbereiche zu unterteilen, in denen jeweils charakteristische physikalische Erscheinungen auftreten:

  • Trocken schaltende Kontakte
    U < 80mV
    I < 10mA
  • Kontakte mit geringer Last
    U = 80 to 300mV
    I < 10mA
  • Kontakte im Zwischenlastbereich
    U = 300mV – 10V
    I = 10mA – 100mA
  • Kontakte mit höherer Last
    U > 10V
    I > 300mA
  • Trocken schaltende Kontakte

Dieser Lastbereich ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung unterhalb der Entfestigungsspannung des jeweiligen Kontaktwerkstoffes (< ca. 80 mV) und die Stromstärke unterhalb 10 mA liegen. Aufgrund dieser geringen elektrischen Last erfolgen die Schaltvorgänge ohne elektrische Entladungen und ohne nennenswerte thermische Beanspruchung der Kontaktstelle. Vor allem chemische und mechanische Einflüsse sowie Staub- und Abriebpartikel auf Kontaktoberflächen bestimmen das Kontaktverhalten. Die geforderte hohe Kontaktzuverlässigkeit wird nur durch korrosionsbeständige Kontaktwerkstoffe erreicht. Da Staubpartikel und Abriebprodukte im „dry circuit”-Bereich die häufigste Ausfallursache darstellen, liegt die Problemlösung im Einsatz von Doppel- oder Mehrfachkontakten.

  • Kontakte für geringe Last

In diesem Lastbereich liegen die Spannung zwischen Entfestigungs- und Schmelzspannung und die Stromstärke unterhalb 10 mA. Aufgrund der gegenüber dem “dry circuit”-Bereich höheren Spannung kommt es beim Schaltvorgang zu einer temperaturinduzierten mechanischen Entfestigung in den kontaktgebenden Oberflächenbereichen und damit zu einer Vergrößerung der Kontaktzonen. Neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit wird auch eine hohe Härte von den Kontaktwerkstoffen verlangt.

  • Kontakte für Lasten im Zwischenbereich

Dieser Lastbereich ist dadurch charakterisiert, dass die Spannung unterhalb der Lichtbogenmindestspannung liegt und die Stromstärke < 300 mA beträgt. In diesem Bereich treten Entladungen auf, die auf Kontaktoberflächen vorhandene Fremdschichten mindestens teilweise elektrisch und thermisch zerstören können. Bei zu geringer elektrischer Last werden organische Fremdschichten nicht vollständig thermisch zersetzt, was zu einem steilen Anstieg des Kontaktwiderstandes führen kann. Weiterhin kann in Gleichstromkreisen durch „kurze Bögen“ eine Materialwanderung auftreten. In diesem Bereich werden korrosionsbeständige sowie gegenüber Materialwanderung weitgehend resistente Kontaktwerkstoffe eingesetzt.

  • Kontakte für höhere Last

Das Kennzeichen dieses Lastbereichs ist das Auftreten stabiler Lichtbögen. Infolge Wechselwirkung zwischen Kontaktwerkstoff und Lichtbogen wird die Lebensdauer der Kontaktstücke durch Abbrand oder Materialwanderung, bei hohen Einschaltströmen durch Verschweißen begrenzt. Für die Wahl des Kontaktwerkstoffes ist die Lastart z.B. ohmsche-, induktive-, kapazitive-, Motorlast, u.a., d.h. der zeitliche Verlauf des Schaltstromes entscheidend.

Unter Berücksichtigung der Zuordnung schaltender Kontakte zu elektrischen Lastbereichen wird in Figure 2 ein Überblick über die Einsatzbereiche der Kontaktwerkstoffe in Schaltgeräten der Informationstechnik mit Übergang zur Energietechnik gegeben. Als Vergleichsbasis dienen jeweils Schaltstrom und -spannung.

Anwendungsbereiche (Schaltstrom und -spannung) für Kontaktwerkstoffe in Schaltgeräten der Informationstechnik mit Übergang zur Energietechnik

Bei kleinen elektrischen Lasten kommen aufgrund ihrer hohen chemischen Beständigkeit vor allem hochedle Werkstoffe auf Au- und Pt-Metall-Basis zum Einsatz, letztere jedoch aus Preisgründen nur noch in geringem Umfang. Werkstoffe auf Ag-Basis decken den mittleren Lastbereich ab, bei Strömen <1A und Spannungen >24V häufig mit Pd legiert, bei größeren Strömen als Verbundwerkstoff mit Nickel bzw. den Metalloxiden SnO2, ZnO oder CdO als Partner. Während der Pd-Zusatz weitgehend die Silbersulfid-Bildung in schwefelhaltiger Atmosphäre verhindert, erhöhen die Metalloxid-Zusätze die Sicherheit gegen ein Verschweißen der Kontaktstücke bei höheren Einschaltströmen. Bei hohen Schaltströmen in Verbindung mit hohen Schaltspielzahlen werden wolframhaltige Werkstoffe, vor allem als Vorkontakte eingesetzt, die die Beanspruchung durch Schaltlichtbögen beim Ein- und Ausschalten übernehmen, während die Stromführung durch Parallelkontakte überwiegend mit silberhaltigen Kontaktwerkstoffen wie AgNi0,15 erfolgt.

Grundsätzlich sind bei der Auswahl eines Kontaktwerkstoffes die Beanspruchungen zu berücksichtigen, denen die Kontaktstellen im Einsatzfall ausgesetzt sind:

  • Beim Einschalten prellender Kontaktstücke treten mechanischer Abrieb, Materialwanderung insbesondere bei Gleichstromlast und Lichtbogenabbrand auf.
  • Im geschlossenen Zustand müssen Höhe und Konstanz des Kontaktwiderstandes berücksichtigt werden. Beides wird vor allem durch die Beständigkeit gegen Korrosion und Änderungen des Werkstoffgefüges infolge Lichtbogeneinwirkung bestimmt.
  • Beim Ausschalten ensteht infolge Reibbeanspruchung mechanischer Abrieb; daneben treten Materialwanderung und Lichtbogenabbrand auf.

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