Prüfverfahren in der Informationstechnik

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Prüfverfahren in der Informationstechnik

Prüfungen des Kontaktverhaltens in der Informationstechnik werden i.d.R. mit den jeweiligen Schaltgeräten, z.B. Relais, durchgeführt. Die Erfahrung zeigt, dass bei den hier vorliegenden Kontaktkräften, Reibwegen und elektrischen Belastungen das Zusammenwirken meist aller zum Ausfall führender Phänomene entscheidend ist. Demzufolge haben statistische Prüfungen an einer großen Anzahl von Schaltgeräten die einzig gültige Aussagekraft.

Des weiteren unterscheidet man zwischen statischen Prüfungen (z.B. Messung des Kontaktwiderstandes) und dynamischen (Ermittlung der Lebensdauer). Daneben gibt es auch Bauelemente und Schaltgeräten, bei denen die Kontakte sowohl statisch als auch dynamisch im Anwendungsfall beansprucht werden (z.B. Steckverbinder, Relais, Schalter, Tasten). Die Lebensdauer wird bei statisch beanspruchten Kontakten i.d.R. als Beanspruchungsdauer, d.h. in „Stunden“ definiert, bei schaltenden Kontakten in „Schaltspielen oder Schaltzyklen“ angegeben.

Messung des Kontaktwiderstandes

Der Kontaktwiderstand gilt im Neuzustand bei den meisten kontaktbestückten elektromechanischen Schaltgeräten als charakteristisches Merkmal für deren Qualität. Er wird in allen Normen oder Abnahmebedingungen von Anwendern definiert. Dabei kommt es entscheidend auf die für die Anwendung richtige und aussagekräftige Messbedingung an.

In der Norm IEC/EN 61810-2 wird das Anwendungsfeld der Relais entsprechend der Beanspruchung nach sogenannten Kontaktlastkategorien (CC) definiert (Figure 1). Die Kontaktlastkategorien CC 1 und CC 2 sind durch die Lichtbogengrenzkurve (DC-Ausschaltvermögen) getrennt. Schaltvorgänge unterhalb der Lichtbogengrenzkurve verlaufen ohne Lichtbogenbildung, bei Schaltvorgängen oberhalb der Lichtbogengrenzkurve treten Lichtbögen auf.

  • CC1 ist typisch für Schaltvorgänge in Steuerstromkreisen mit Kleinspannung, z.B. SPS - Eingänge
  • CC 2 ist typisch für Freigabepfade im Bereich der Niederspannung, mit denen z.B. Schütze (230VAC) geschaltet werden.
  • CC 0 beschreibt als Sonderfall den Strom - Spannungsbereich für trockene Last.
Schematische Darstellung der Zuordnung der Kontaktlastkategorien im Strom- Spannungsbereich nach IEC/EN 61810-2 Lichtbogengrenzkurve bei Lichtbogendauer< 1 ms

In den jeweiligen Kontaktlastkategorien werden die Bedingungen für die Kontaktwiderstandsmessungen nach IEC/EN 61810-7 definiert:

  • Kontaktlastkategorie CC0: < 30 mV; < 10 mA
  • Kontaktlastkategorie CC1: < 10 V; < 100 mA
  • Kontaktlastkategorie CC2: < 30 V; < 1 A

Bei Kontakten, die mehrere Kategorien umfassen, gilt die Messbedingung der niedrigsten Kategorie. Die Kontaktwiderstandsmessung wird üblicherweise nach der 4 - Draht - Methode bei einer Umgebungstemperatur von 27°C + 1°C und 63 bis 67% relativer Feuchte durchgeführt.

Mit der zusätzlichen Forderung nach einem oberen Schwellwert oder Abnahmewert (z.B. 90% - Wert der statistischen Verteilung der Kontaktwiderstände eines Kollektivs) kann abgesichert werden, dass solche Kontakte ab dem Neuzustand für das jeweilige Anwendungsgebiet geeignet sind. Das Führen des Stromes in normalerweise dynamisch arbeitenden Geräten bis zum angegebenen Bemessungsstrom ist durch diesen Prüfungsablauf ebenfalls abgesichert. Dies ist jedoch keine verbindliche Aussage bezüglich des weiteren Verhaltens in der jeweiligen Anwendung. Hierzu sind Lebensdaueruntersuchungen im Gerät unter realer Last erforderlich.

Zusammenhang zwischen Ausschaltstrom von Relais und Lebensdauerforderung in Systemen

Lebensdauer

Als Lebensdauer bezeichnet man die bei einer definierten Last erreichte Zahl der Schaltzyklen (Einschalten des Stromes, Führen, Ausschalten des Stromes). Der gesamte Ablauf dieses Schaltzyklus führt unter den speziellen Gegebenheiten des Relais (Prellverhalten, Werkstoffe u.a.) zu den für den späteren Ausfall verantwortlichen Phänomenen, z.B. erhöhter Kontaktwiderstand, Materialwanderung, Abbrand, Verschweißen Figure 2.

Ausfälle beim Schalten der Last sind erfahrungsgemäß Fehlfunktionen der Kontaktstücke. Die mechanische Lebensdauer ohne elektrische Last muss demzufolge größer sein als die im Betriebsfall geforderte maximale Lebensdauer. Meist übersteigt die mechanische Lebensdauer die elektrische um den Faktor 10.

Kriterien für die Lebensdauer

Als Lebensdauer- oder Ausfallkriterien bei Schaltgeräten der Informationstechnik gelten nach einschlägigen Vorschriften und Normen:

  • Failure to close by exceeding an upper limit for the contact resistance
  • Failure to open by contact welding at a higher force than specifiedor by mechanical interlocking
  • Switching characteristics strongly changed by arc erosion or material transfer

As opposed to electronic components, failures in electromechanical devices can occur once and not repeat at all or at considerably later stages of the life time.

Because of this an exact definition for the failure mode must be provided. In most cases the first failure occurrence is defined as the overall device failure, since relays are increasingly used in safety related electrical circuits. Failures to open because of contact welding must be very critically examined. In some instances a weak weld or “sticking” of the contacts can cause a delayed opening and separation of the contacts by themselves. Therefore it is useful to define weld failures as non-opening after a specified time, approx. 1 sec, after the actual switching-off event.

Determination of Functional Life

Electrical life, failure rate, and reliability are statistical measures. To determine the electrical life the relays are switching the specified load in an accelerated way with higher switching frequency until the first pre-defined failure occurs. The number of switching operations reached for the representative sample size of relays is determined through statistically valid test setups using Weibull distributions. For all switching operations the failure criteria must be monitored and recorded.

Statistical evaluation of the electrical life of relays (Operating parameters: 220VAC, 8A, 0.1Hz, resistive load; contact material AgCdO 90/10)

The large quantity of data generated during the tests can be only analyzed with computer based test systems. After all the relays failed a failure statistic is calculated and the expected electrical life is calculated based on the specified switching and operating criteria. Figure 3 shows in form of a Weibull diagram the results of a relay life test for a sampling of switching relays under a resistive AC load with failures after the first and the 10th occurrence analyzed. From such electrical life test it is also possible to statistically predict the failure rate of relays under certain specified load conditions.

Testing Technology

The test set-ups for relay tests consist of a load part, which allows the selection of specific electrical loads, and a control / monitoring part, which typically includes the measuring devices with data collection and mostly also a computer for data analysis Figure 4. Variations for testing of different relay types concern mostly the load circuits, the sample size of test specimens, and the frequency of testing.

  • Signal Relays (Low Current Relays)

The DC load conditions are specified in the relevant standards (for ex. Telecom Specifications).

Principle and sequence of testing with electronic load simulation
Automotive relays under motor load: Results of electrical life testing using different contact materials
  • Switching of “dry circuits” with monitoring of the contact resistance, in some cases at elevated temperatures
  • Two load conditions at 30 W (125 VDC, 0.24 A and 37.5 VDC, 0.8 A
  • Two wiring load conditions
  • Two different overload conditions at 60 W (250 VDC, 0.24 A and 37.7 VDC, 1.6 A)

The number of test samples varies between 3 and 20 pieces, depending on the load; the switching frequency varies between 0.3 and 10 Hz. The test set-up has to follow the regulations of IEC DIN EN 61810-2.

  • Elementary Relays (or General Purpose Relays / Switching Relays)

For these relays electrical life tests according to their various DC as well as AC load conditions are required. These load conditions are also defined in well known VDE standards for power engineering products (IEC/EN 60947-4-1, IEC DIN EN 61810-2). The number of samples (mostly < 10 relays, and testing frequency are defined. Often tests for these load characteristics are used for the selection of optimum contact materials.

  • Automotive Relays

For these relays electrical life tests are conducted under the DC voltage used in the on-board circuitry. Since no standardized tests have been established for automotive relays, the electrical loads are agreed upon between the supplier and the end user. The multitude of load conditions, i.e. resistive, inductive motor, and lamp loads require a flexible set-up of suitable test equipment (see Figure 4).

During accelerated life tests the following parameters from real life loads must be observed:

  • Lamp loads are strongly temperature dependent resistive loads. Therefore a sufficient cooling time of the bulb filaments must be allowed.
  • The actual loads used in test experiments wear over time and must be replaced at regular intervals.
  • Tests at low temperatures require large cooled climate chambers and extended cool-down times.

These requirements lead to the need to simulate the real life loads through electronically controlled load circuits. Such computerized electronic load circuit simulations easily allow the test sequences to be controlled and monitored:

  • Time saving test runs for lamp loads by reducing interval times Monitoring of each switching operation for electrical life criteria Allowing to recognize non separation of the contacts after a pre-set time limit to be classified as a relay fallure

Results of relay life testing using different contact materials are illustrated as an example in Figure 5 . For each contact material 10 relays were tested under the prescribed motor load until a failure due to non-opening was detected. For this specific load condition AgNiO. 15 was found to be the best suited contact material.

Failure Analysis

The full clarification of causes for switching device failures, for example relays, is most important for quality assurance. As a starting point the full history of the relay, such as electrical load, environmental conditions, etc. must be recorded. The process flow chart in Figure 6 clearly describes a proven way to conduct a failure analysis.

Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology

Following all procedures of such a failure evaluation carefully, the root cause of the defect can most likely be established in order to implement preventive measures limiting future occurrences.

Referenzen

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